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[教程] 从STM32开始的RoboMaster生活：进阶篇 II [Interrupt]

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从STM32开始的RoboMaster生活：进阶篇 II [Interrupt]

1.0 什么是Interrupt？

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

Interrupt在STM32中大致分为两种，一种就是普通的Interrupt，由外部的外设来打断MCU，另一种名为Exception，是由内部的软件程序自行打断MCU。
要大致理解Interrupt，我们需要了解一下整个运行周期
1. 首先是，MCU接收到打断信号，但是还没有对该信号做出反应
2. 然后，当MCU运行完当前的指令后，在fetch下一个指令前，停止当前程序，进入中断
3. 保存被打断的程序的状态到系统栈，把发起中断的程序的预备状态载入到系统栈，进入该程序
4. 执行发起中断的程序
5. 完成后，再把被打断的程序的状态从系统栈加载回来，然后继续执行被打断的程序（全当做无事发生.JPG）

2.0 为什么需要Interrupt？

在将Interrupt前，必须提一下Polling。我打个比方，比如有个快递要今天送过来，但你现在正在做RoboMaster，而快递小哥也不知道你长啥样，如果在他来的时候没来人拿，那他就走了，包裹就没了（这个传来的数据是即时的，数据可不会等你）。
如果是Polling，那就是，你一直时不时盯着小区门口，看快递小哥来没来，结果可想而知，可能一整天都没做多少RoboMaster，甚至可能在做的时候，正好小哥来了又走了，结果快递也没拿到。
那有没有办法，可以既能够放心做RoboMaster，又不用担心错过快递呢？这就是Interrupt登场的时候了，方法也很简单，让快递小哥在快递送到的时候给你打个电话（中断信号），你放下手中的RoboMaster任务（被中断），去门口拿快递（执行中断程序），拿完后继续做RoboMaster（继续被中断的任务）就行了。

3.0 STM32内部实现线路 & NVIC

Interrupt Routine.png

NVIC全称为Nested Vectored Interrupt Controller，是STM32专门划分独立出来的模块，专门负责Interrupt事宜，其中技术细节和使用细节非常冗杂，但是实际在RoboMaster中能使用到的部分却是比较简单的，所以本文也不展开细说。

从上图中我们可以看到，NVIC并不是和每个GPIO有单独的线路相连，而是将GPIO分组的，这里与GPIO自己的外设分组不同，并不是PA0，PA1，PA2..…..…为一组，而是PA0，PB0，PC0..…..…为一组，每组共用一根Interrupt信号线，而且更为复杂和迷惑的是，有些特殊情况，比如EXTI10和EXTI15居然在NVIC里面是合并的，但这不用担心，因为就算合并了，STM32也是能分辨具体是从那个组发出的（HAL_GPIO_EXTI_Callback函数能够区分是那个组）。你很可能也猜到了，NVIC是没法分辨每个组内部是那个引脚发出的Interrupt信号，所以在设置芯片的时候，每个组只能有一个引脚能够使用Interrupt。

4.0 Interrupt的生命周期

要谈这个，避免不了要讲讲Priority 优先级

为使系统能及时响应并处理发生的所有中断，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，硬件将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。
>
> 在实际系统中，常常遇到多个中断源同时请求中断的情况，这时MCU必须确定首先为哪一个中断源服务，以及服务的次序。解决的方法是中断优先排队，即根据中断源请求的轻重缓急，排好中断处理的优先次序即优先级( Priority )，又称优先权，先响应优先级最高的中断请求。另外，当MCU正在处理某一中断时，要能响应另一个优先级更高的中断请求，而屏蔽掉同级或较低级的中断请求，形成中断嵌套。
中断优先级原则
1. CPU首先响应高优先级的中断请求；
2. 如果优先级相同，MCU按查询次序响应排在前面的中断；
3. 正在进行的中断过程不能被新的同级或低优先级的中断请求所中断；
4. 正在进行的低优先级中断过程，能被高优先级中断请求所中断。
而在STM32中，又有两种不同的优先级
- Preempt Priority
- 也就是我们最常说的常用的Priority，优先级小，越优先，比如优先级如果为负，那就是系统自己的系统中断，比任何用户代码的优先级都高，而用户能够设置的最高的优先级就是0级，其次是1级，2级..…..…
- Subpriority
- 主要针对当Preempt Priority相同的情况。
- 比如，当某个0级程序正在运行时，有1个2级程序发出中断信号，但是因为2级程序的优先级比0级低，所以被Pending 延迟处理了，在0级程序还没运行完的时候，又有一个2级程序发出中断信号，因为同样的原因，也被Pending了，问题来了，当0级程序处理完后，请问先执行那个2级程序呢？当然是，子优先级小的那个。

5.0 如何使用Interrupt

首先是要在配置芯片的时候，给引脚选择EXTI模式
在写代码的时候，在main.c中创建HAL_GPIO_EXTI_Callback函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
        ......
}

在该函数中填写如果被中断，需要执行的代码

在<项目>/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src的stm32f4xx_hal_gpio.c文件中，我们可以看到其定义
__weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(GPIO_Pin);
  /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_GPIO_EXTI_Callback could be implemented in the user file
   */
}
这里的__weak指明了，该函数如果没被用户创建，就使用上面的代码被默认创建，而如果用户在main.c中自主创建该函数，则用户创建的函数覆盖默认定义的函数。

值得注意的一点是，HAL_GPIO_EXTI_Callback中的uint16_t GPIO_Pin是给用户说明了发出中断信号的是哪个组，正如3.0里面所说，就算EXTI10和EXTI15在NVIC里面是合并的，这个参数也能区分到底是EXTI10还是EXTI15发出的信号，所以不用担心合并后无法区分的问题。

6.0 练习项目

6.1 项目简介

与从STM32开始的RoboMaster生活：进阶篇 I [GPIO]里面的项目相同，但是用Interrupt来实现，链接地址

6.2 芯片配置

芯片视角

GPIO配置列表

GPIO for RM02.png

NVIC配置列表

NVIC for RM02.png

6.3 项目代码

Inc/main.h

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.h
  * @brief          : Header for main.c file.
  *                   This file contains the common defines of the application.
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>© Copyright (c) 2020 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the "License"; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */

/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f4xx_hal.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Exported types ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN ET */

/* USER CODE END ET */

/* Exported constants --------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN EC */

/* USER CODE END EC */

/* Exported macro ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN EM */

/* USER CODE END EM */

/* Exported functions prototypes ---------------------------------------------*/
void Error_Handler(void);

/* USER CODE BEGIN EFP */

/* USER CODE END EFP */

/* Private defines -----------------------------------------------------------*/
#define LD8_Pin GPIO_PIN_8
#define LD8_GPIO_Port GPIOG
#define LD7_Pin GPIO_PIN_7
#define LD7_GPIO_Port GPIOG
#define LD6_Pin GPIO_PIN_6
#define LD6_GPIO_Port GPIOG
#define LD5_Pin GPIO_PIN_5
#define LD5_GPIO_Port GPIOG
#define LD4_Pin GPIO_PIN_4
#define LD4_GPIO_Port GPIOG
#define LD3_Pin GPIO_PIN_3
#define LD3_GPIO_Port GPIOG
#define LD2_Pin GPIO_PIN_2
#define LD2_GPIO_Port GPIOG
#define Button_Pin GPIO_PIN_2
#define Button_GPIO_Port GPIOB
#define Button_EXTI_IRQn EXTI2_IRQn
#define LD1_Pin GPIO_PIN_1
#define LD1_GPIO_Port GPIOG
#define LD_RED_Pin GPIO_PIN_11
#define LD_RED_GPIO_Port GPIOE
#define LD_GREEN_Pin GPIO_PIN_14
#define LD_GREEN_GPIO_Port GPIOF
/* USER CODE BEGIN Private defines */

/* USER CODE END Private defines */

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif /* __MAIN_H */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

Src/main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>© Copyright (c) 2020 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the "License"; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
        if(GPIO_Pin == Button_Pin){
                HAL_Delay(500);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD_RED_GPIO_Port,LD_RED_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD_GREEN_GPIO_Port,LD_GREEN_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD1_GPIO_Port,LD1_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD2_GPIO_Port,LD2_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD3_GPIO_Port,LD3_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD4_GPIO_Port,LD4_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD5_GPIO_Port,LD5_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD6_GPIO_Port,LD6_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD7_GPIO_Port,LD7_Pin);
                HAL_Delay(100);
                HAL_GPIO_TogglePin(LD8_GPIO_Port,LD8_Pin);
        }
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage 
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE3);
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOG, LD8_Pin|LD7_Pin|LD6_Pin|LD5_Pin 
                          |LD4_Pin|LD3_Pin|LD2_Pin|LD1_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LD_RED_GPIO_Port, LD_RED_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LD_GREEN_GPIO_Port, LD_GREEN_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pins : LD8_Pin LD7_Pin LD6_Pin LD5_Pin 
                           LD4_Pin LD3_Pin LD2_Pin LD1_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD8_Pin|LD7_Pin|LD6_Pin|LD5_Pin 
                          |LD4_Pin|LD3_Pin|LD2_Pin|LD1_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : Button_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = Button_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(Button_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : LD_RED_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD_RED_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(LD_RED_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : LD_GREEN_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD_GREEN_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(LD_GREEN_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /* EXTI interrupt init*/
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI2_IRQn, 1, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI2_IRQn);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */

  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/