5.1 EXTI外部中断

一、中断基本概念

1.1 中断系统

• 中断：在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件（中断源），使得CPU暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。

• 中断源：例如，外部中断中引脚的电平跳变、定时器的定时时间到达、串口通信中的数据接收等。

• 中断优先级：当有多个中断源同时申请中断时，CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应更加紧急的中断源。

• 中断嵌套：当一个中断程序正在运行时，又有新的更高优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完成后依次进行返回。

1.2 中断执行流程图

• 中断程序执行流程：主程序执行过程中，一旦外设中断条件满足，主程序正在进行的工作都必须立即暂停，程序由硬件电路自动跳转至中断程序。中断程序执行完毕后，返回被暂停的位置（断点）继续运行。

  

• 中断嵌套执行流程：正常中断程序执行时，若有更高优先级的中断到来，程序会再次跳转执行新的中断，新中断结束后继续执行原中断，原中断结束后再继续主程序。

  

• C 语言程序中中断执行流程：在带有中断的程序中，主函数的 while 死循环内为主程序，正常情况下程序在主程序中不断循环执行。当中断条件满足，主程序暂停，自动跳转至中断程序运行，运行结束后返回主程序继续执行。一般中断程序位于子函数中，无需手动调用，中断发生时由硬件自动调用。

  

二、STM32 的中断系统

2.1 STM32中断系统简介：

• STM32 具备 68 个可屏蔽中断通道（不同型号数量可能有差异，具体以对应型号数据手册为准），包含EXTI、TIM、ADC、USART、SPI、I2C、RTC等多个外设。

• 采用 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器）统一管理中断，每个中断通道都拥有16个可编程的优先等级，可对优先级进行分组，进一步设置抢占优先级和响应优先级。

2.2 STM32中断资源表：

相关信息

下图中灰色部分为内核中断，其余为外设中断

中断向量表：程序中的中断函数地址由编译器分配，并不固定，但由于硬件限制，中断跳转只能跳至固定地址执行程序。为实现硬件跳转到不固定的中断函数，在内存中定义中断向量表。中断发生时，先跳转到该固定位置，再由编译器添加跳转到中断函数的代码，从而实现中断跳转。

2.3 NVIC基本结构

STM32 中断数量众多，若全部连接到 CPU，会导致 CPU 引脚设计复杂，且中断同时申请或拥堵时 CPU 处理困难。NVIC 作为内核外设，是 CPU 的辅助工具，负责统一分配中断优先级和管理中断。

NVIC 拥有多个输入口，可连接各种中断线路（如 EXTI、TIM、ADC、USART 等），一个外设可能占用多个中断通道。

NVIC 仅有一个输出口，根据每个中断的优先级分配中断顺序，通过输出口告知 CPU 应处理的中断，CPU 无需了解中断顺序分配任务。

2.4 NVIC中断分组

• NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位（0~15）决定，这4位可以进行切分，分为高n位的抢占优先级和低4-n位的响应优先级。

• 抢占优先级高的可以中断嵌套，响应优先级高的可以优先排队，抢占优先级和响应优先级均相同的按中断号排队。

分组方式	抢占优先级	响应优先级
分组0	0位，取值为0	4位，取值为0~15
分组1	1位，取值为0~1	3位，取值为0~7
分组2	2位，取值为0~3	2位，取值为0~3
分组3	3位，取值为0~7	1位，取值为0~1
分组4	4位，取值为0~15	0位，取值为0

三、EXTI 外部中断

3.1 EXTI简介

• EXTI：External Interrupt，即外部中断。

• 工作流程：EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序。

• 触发方式：上升沿/下降沿/双边沿/软件触发。

• 支持的GPIO口：所有GPIO口，但相同的Pin不能同时触发中断。如 PA0 和 PB0 不能同时触发中断。

• 通道数：16个GPIO_Pin，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒。

• 触发响应方式：中断响应/事件响应。

  相关信息

  • 中断响应是申请中断并让 CPU 执行中断函数。
  • 事件响应是申请中断触发事件，此时外部中断信号不通向 CPU，而是通向其他外设，触发其他外设操作，如触发 ADC 转换、触发 DMA 等，属于外设间的协同工作。

3.2 EXTI基本结构

注意

需注意，因 ST 公司认为 20 个输出过多占用 NVIC 通道资源，将外部中断的 9 - 5 和 15 - 10 分配到一个通道，即外部中断的 9 - 5 和 15 - 10 分别触发同一个中断函数，编程时需在中断函数中依据标志位区分具体中断。

3.3 AFIO复用IO口

• AFIO主要用于引脚复用功能的选择和重定义。

• 在STM32中，AFIO主要完成两个任务：复用功能引脚重映射、中断引脚选择。

3.4 EXTI框图

EXTI 右侧为 20 根输入线，首先进入边缘检测电路和软件中断事件寄存器构成的或门，可选择上升沿/下降沿/双边沿/软件触发。

触发信号通过或门后分为两路：

• 上一路触发中断，首先设置挂起寄存器（相当于中断标志位，可读取判断是哪个通道触发的中断），若中断挂起寄存器置 1，通过和中断屏蔽寄存器构成的与门，最后到达 NVIC 中断控制器。
• 下一路触发事件，首先通过事件屏蔽寄存器进行开关控制，最后通过脉冲发生器连接到其他外设，脉冲发生器产生电平脉冲触发其他外设动作。

四、旋转编码器

4.1 旋转编码器简介

• 旋转编码器：用来测量位置、速度或旋转方向的装置，当其旋转轴旋转时，其输出端可以输出与旋转速度和方向对应的方波信号，读取方波信号的频率和相位信息即可得知旋转轴的速度和方向。

• 类型：机械触点式/霍尔传感器式/光栅式。

  • 机械触点式编码器：其内部通过金属触点通断工作。中间圆金属片为按键。编码盘是一系列金属触点，旋转时依次接通和断开两边触点，且金属盘位置经过设计，使两侧触点通断产生 90 度相位差，最终配合外部电路，编码器的两个输出会输出正交波形。正转时，A 相引脚输出方波信号，B 相引脚输出滞后 90 度的波形；反转时，B 相引脚输出提前 90 度的波形，以此区分正转和反转。

    

  • 霍尔传感器式编码器：直接附在电机后面的编码器为霍尔传感器形式，中间是圆形磁铁，边上有两个位置错开的霍尔传感器，磁铁旋转时，通过霍尔传感器输出正交的方波信号，可用于测速和测方向。

  

  • 光栅式编码器：采用对射式红外传感器和光栅编码盘，编码盘转动时，红外传感器的红外光出现遮挡和透过现象，对应模块输出高低电平交替的方波，方波个数代表转过角度，频率代表转速，可用外部中断捕获方波边缘判断位置和速度，但该模块只有一路输出，无法区分正转和反转的输出波形，不能测量旋转方向。

  

4.2 旋转编码器硬件电路

• 模块电路图：

  

  上方按键两根线悬空未用，下方是编码器内部两个触点，旋转轴旋转时，两个触点以 90 度相位差交替导通。电路图左右对称，以左侧电路为例，首先连接一个 10k 的上拉电阻，默认未旋转时，输出到 A 端口为高电平，旋转时触点导通，端口被拉低到地，输出到 A 端口为低电平，其中 R3 为限流电阻防止模块引脚电流过大，C1 为滤波电容防止输出信号抖动。

• 接线方法：

  

  VCC 连接电源，A 相输出和 B 相输出连接到 STM32 的两个引脚（注意引脚的Pin不能相同），C 引脚暂不使用。