【星云 Orbit-F4 开发板】05. NVIC中断分组与配置（重要）

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【星云 Orbit-F4 开发板】05. NVIC中断分组与配置（重要）

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引言

STM32F407微控制器是一款高性能的32位微控制器，广泛应用于嵌入式系统开发。中断系统是嵌入式开发中不可或缺的一部分，能够帮助微控制器高效地处理外部事件。STM32F407集成了一个强大的中断管理系统——Nested Vectored Interrupt Controller（NVIC），支持中断优先级分组和灵活的中断配置。本文将从零开始，详细介绍STM32F407的NVIC中断分组与配置方法，并提供基于HAL库的完整示例代码，帮助读者快速掌握中断系统的开发技能。

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1. 基础知识

1.1 中断的基本概念

中断是一种硬件机制，允许微控制器在处理当前任务的同时，快速响应外部事件（如按键按下、定时器溢出等）。中断具有以下特点：

• 实时性：中断能够实时响应外部事件，确保系统及时处理。
• 高效性：中断不会阻塞主程序，能够在后台处理事件。
• 灵活性：支持多种中断源和优先级配置。

1.2 NVIC的结构与功能

STM32F407的NVIC模块负责管理中断的优先级和响应顺序。其主要功能包括：

• 中断优先级管理：支持中断优先级分组，将中断分为抢占优先级和响应优先级。
• 中断向量表管理：管理中断向量地址，支持中断向量的动态分配。
• 中断使能与禁用：提供对中断源的使能和禁用控制。

1.3 中断优先级分组

STM32F407的中断优先级采用分组机制，将8位优先级分为抢占优先级和响应优先级两部分。中断优先级的分组方式可以通过SCB->AIRCR寄存器配置，具体分为以下几种模式：

• 分组模式0：8位均为抢占优先级。
• 分组模式1：7位抢占优先级，1位响应优先级。
• 分组模式2：6位抢占优先级，2位响应优先级。
• 分组模式3：5位抢占优先级，3位响应优先级。
• 分组模式4：4位抢占优先级，4位响应优先级。

抢占优先级决定了中断的抢占能力，响应优先级决定了中断的响应顺序。

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2. NVIC中断配置步骤

2.1 时钟配置

在配置中断之前，需要确保相关外设时钟已使能。例如，若使用外部中断（EXTI），则需要使能GPIO和SYSCFG时钟。

c复制代码// 时钟配置
HAL_RCC_MspInitTypeDef RCC_InitTypeDef;
RCC_InitTypeDef.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_SYSCFG;
RCC_InitTypeDef.SysClk = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
HAL_RCC_Init(&RCC_InitTypeDef);

HAL_RCC_Init函数详解

• 函数作用：初始化RCC（复用时钟控制）模块，配置外设时钟。

• 参数说明

  ：

  • RCC_InitTypeDef：结构体，包含外设时钟选择和系统时钟源配置。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c复制代码HAL_RCC_MspInitTypeDef RCC_InitTypeDef;
  RCC_InitTypeDef.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_SYSCFG;
  RCC_InitTypeDef.SysClk = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  HAL_RCC_Init(&RCC_InitTypeDef);
  

2.2 GPIO配置

配置GPIO引脚为外部中断输入模式。

c复制代码// GPIO配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeDef;
GPIO_InitTypeDef.Pin = GPIO_PIN_0; // 按键引脚
GPIO_InitTypeDef.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING; // 上升沿触发中断
GPIO_InitTypeDef.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉电阻
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitTypeDef);

HAL_GPIO_Init函数详解

• 函数作用：初始化GPIO模块，配置GPIO引脚模式。

• 参数说明

  ：

  • GPIO_TypeDef *GPIOx：GPIO端口（如GPIOA、GPIOB等）。
  • GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitTypeDef：结构体，包含引脚配置信息。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c复制代码GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeDef;
  GPIO_InitTypeDef.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitTypeDef.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
  GPIO_InitTypeDef.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitTypeDef);
  

2.3 NVIC中断分组配置

通过SCB->AIRCR寄存器配置中断优先级分组模式。以下代码将中断分组模式设置为模式4（4位抢占优先级，4位响应优先级）。

c复制代码// 中断分组配置
SCB->AIRCR = (SCB->AIRCR & (~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk)) | SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;
SCB->AIRCR |= SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk; // 设置为分组模式4
SCB->AIRCR &= ~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;

SCB->AIRCR寄存器详解

• 寄存器作用：配置中断优先级分组模式。

• 关键位

  ：

  • VECTKEY：写入密钥，确保配置有效。
  • PRIGROUP：中断优先级分组模式选择。

• 使用示例

  ：

  c复制代码SCB->AIRCR = (SCB->AIRCR & (~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk)) | SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;
  SCB->AIRCR |= SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk; // 设置为分组模式4
  SCB->AIRCR &= ~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;
  

2.4 中断优先级配置

通过 NVIC_InitTypeDef结构体配置中断的抢占优先级和响应优先级。

c复制代码// 中断优先级配置
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeDef;
NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannel = GPIOA_IRQn; // 配置GPIOA中断
NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 抢占优先级1
NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 响应优先级0
NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能中断
HAL_NVIC_Init(&NVIC_InitTypeDef);

HAL_NVIC_Init函数详解

• 函数作用：初始化NVIC模块，配置中断优先级。

• 参数说明

  ：

  • NVIC_InitTypeDef *NVIC_InitTypeDef：结构体，包含中断通道、抢占优先级、响应优先级和中断使能配置。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c复制代码NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeDef;
  NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannel = GPIOA_IRQn;
  NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  HAL_NVIC_Init(&NVIC_InitTypeDef);
  

2.5 中断服务函数配置

定义中断服务函数，并将其与中断向量表关联。

c复制代码// 中断服务函数
void GPIOA_IRQHandler(void)
{
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) // 检查中断源
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // 示例：LED点亮
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 示例：LED熄灭
        HAL_GPIO_ClearITPendingBit(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 清除中断标志
    }
}

HAL_GPIO_ReadPin函数详解

• 函数作用：读取GPIO引脚的当前状态。

• 参数说明

  ：

  • GPIO_TypeDef *GPIOx：GPIO端口。
  • uint16_t GPIO_Pin：要读取的引脚。

• 返回值：GPIO_Pin_State，表示引脚状态（GPIO_PIN_RESET或GPIO_PIN_SET）。

• 使用示例

  ：

  c
  
  复制代码if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
  

HAL_GPIO_WritePin函数详解

• 函数作用：写入GPIO引脚的状态。

• 参数说明

  ：

  • GPIO_TypeDef *GPIOx：GPIO端口。
  • uint16_t GPIO_Pin：要写入的引脚。
  • GPIO_Pin_State PinState：引脚状态（GPIO_PIN_RESET或GPIO_PIN_SET）。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c
  
  复制代码HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
  

HAL_Delay函数详解

• 函数作用：产生一个精确的延时。

• 参数说明

  ：

  • uint32_t Delay：延时时间，单位为毫秒。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c
  
  复制代码HAL_Delay(500);
  

HAL_GPIO_ClearITPendingBit函数详解

• 函数作用：清除GPIO中断标志。

• 参数说明

  ：

  • GPIO_TypeDef *GPIOx：GPIO端口。
  • uint16_t GPIO_Pin：要清除的中断标志。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c
  
  复制代码HAL_GPIO_ClearITPendingBit(GPIOA, GPIO_PIN_0);
  

2.6 中断使能

通过 NVIC_EnableIRQ函数使能中断。

c复制代码// 使能GPIOA中断
HAL_NVIC_EnableIRQ(GPIOA_IRQn);

HAL_NVIC_EnableIRQ函数详解

• 函数作用：使能指定的中断通道。

• 参数说明

  ：

  • IRQn_Type IRQn：中断通道编号。

• 返回值：无。

• 使用示例

  ：

  c
  
  复制代码HAL_NVIC_EnableIRQ(GPIOA_IRQn);
  

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3. 使用示例

3.1 实验目标

通过STM32F407的GPIO外部中断实现LED闪烁功能，验证中断分组和配置的正确性。

3.2 实验硬件

• STM32F407开发板
• LED灯模块
• 按键模块

3.3 实验代码

c复制代码#include "stm32f4xx_hal.h"

// LED引脚配置
#define LED_GPIO_PORT GPIOB
#define LED_GPIO_Pin GPIO_PIN_5

// 按键引脚配置
#define BUTTON_GPIO_PORT GPIOA
#define BUTTON_GPIO_Pin GPIO_PIN_0

// 中断配置
void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitTypeDef;
    NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannel = GPIOA_IRQn;
    NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 抢占优先级1
    NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 响应优先级0
    NVIC_InitTypeDef.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    HAL_NVIC_Init(&NVIC_InitTypeDef);
}

// GPIO配置
void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeDef;

    // LED引脚配置
    GPIO_InitTypeDef.Pin = LED_GPIO_Pin;
    GPIO_InitTypeDef.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitTypeDef.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitTypeDef.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitTypeDef);

    // 按键引脚配置
    GPIO_InitTypeDef.Pin = BUTTON_GPIO_Pin;
    GPIO_InitTypeDef.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
    GPIO_InitTypeDef.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(BUTTON_GPIO_PORT, &GPIO_InitTypeDef);

    // 使能GPIOA中断
    HAL_NVIC_EnableIRQ(GPIOA_IRQn);
}

// 中断服务函数
void GPIOA_IRQHandler(void)
{
    if (HAL_GPIO_ReadPin(BUTTON_GPIO_PORT, BUTTON_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET); // LED点亮
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET); // LED熄灭
        HAL_GPIO_ClearITPendingBit(BUTTON_GPIO_PORT, BUTTON_GPIO_Pin); // 清除中断标志
    }
}

int main(void)
{
    // 初始化HAL库
    HAL_Init();

    // 时钟配置
    HAL_RCC_MspInitTypeDef RCC_InitTypeDef;
    RCC_InitTypeDef.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_SYSCFG;
    RCC_InitTypeDef.SysClk = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
    HAL_RCC_Init(&RCC_InitTypeDef);

    // 中断分组配置
    SCB->AIRCR = (SCB->AIRCR & (~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk)) | SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;
    SCB->AIRCR |= SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk; // 分组模式4
    SCB->AIRCR &= ~SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk;

    // GPIO配置
    GPIO_Configuration();

    // 进入低功耗模式
    while (1)
    {
        HAL_Delay(1000);
    }
}

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4. 总结

本文详细介绍了STM32F407的NVIC中断分组与配置方法，包括中断优先级分组、中断使能、中断服务函数编写等内容，并通过实际实验验证了配置的正确性。通过本文的学习，读者可以掌握STM32F407的中断系统开发技能，并能够在此基础上进行更复杂的中断应用开发。