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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

<项目>/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Srcstm32f4xx_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

  • 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

Chip.png

  • 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****/

6.4 效果展示

  • 效果与从STM32开始的RoboMaster生活:进阶篇 I [GPIO]里面展示的相同,链接地址

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