单片机入门学习九 STM32单片机学习六延时函数、端口复用和重映射、中断

灰太狼 2022-06-01 02:06 140阅读 0赞

前面几篇文章涉及到stm32编程需要了解的一些基础知识，本篇在记录一些编程中常用到的基础概念。

## 1、中断 ##

本篇记录的是NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller嵌套向量中断控制器），NVIC属于Cortex内核的器件，不可屏蔽中断 (NMI)和外部中断都由它来处理（SYSTICK不是由NVIC来控制的）。  
Cortex™-M3内核支持256个中断，其中包含了16个内核中断和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置。但STM32并没有使用CM3内核的全部东西，而是只用了它的一部分，STM32F103系列上面，只有60个可屏蔽中断、16个内核中断，具有16级可编程的中断优先级（使用了4位中断优先级）。  
NVIC 的寄存器以存储器映射的方式来访问，除了包含控制寄存器和中断处理的控制逻辑之外，NVIC 还包含了MPU的控制寄存器、SysTick 定时器以及调试控制。本小节仅记录中断相关的内容。  
《STM32中文手册》60个可屏蔽中断如下图：  
![stm32][]![stm32][stm32 1]

### 1）中断管理方法 ###

STM32中断有5组，即组0、组1、…、组4。每个中断设置一个抢占优先级和一个响应优先级。如下表（通过SCB->AIRCR寄存器对中断优先级进行配置）  
![aircr][]  
表中的AIRCR的10到8位 用以表示分组，组0到组4。  
表中的IP 的7到4位 用以表示 优先级。IP全称为Interrupt Priority Registers

**抢占优先级**是指 当 优先级更高的中断来了可以打断 低优先级的中断。  
**响应优先级**是指 抢占优先级相同的情况下，若多个中断**同时发生**，高响应优先级的先运行，注意该优先级的高的不能打断正在运行的低优先级的中断。

### 2)设置中断分组 ###

//misc.h
    #define NVIC_PriorityGroup_0 ((uint32_t)0x700) /*!< 0 bits for pre-emption priority
                                                                4 bits for subpriority */
    #define NVIC_PriorityGroup_1 ((uint32_t)0x600) /*!< 1 bits for pre-emption priority
                                                                3 bits for subpriority */
    #define NVIC_PriorityGroup_2 ((uint32_t)0x500) /*!< 2 bits for pre-emption priority
                                                                2 bits for subpriority */
    #define NVIC_PriorityGroup_3 ((uint32_t)0x400) /*!< 3 bits for pre-emption priority
                                                                1 bits for subpriority */
    #define NVIC_PriorityGroup_4 ((uint32_t)0x300) /*!< 4 bits for pre-emption priority
                                                               0 bits for subpriority */
    
    #define AIRCR_VECTKEY_MASK ((uint32_t)0x05FA0000)
    
    /**中断分组设置函数 * @brief Configures the priority grouping: pre-emption priority and subpriority. * @param NVIC_PriorityGroup: specifies the priority grouping bits length. * This parameter can be one of the following values: * @arg NVIC_PriorityGroup_0: 0 bits for pre-emption priority * 4 bits for subpriority * @arg NVIC_PriorityGroup_1: 1 bits for pre-emption priority * 3 bits for subpriority * @arg NVIC_PriorityGroup_2: 2 bits for pre-emption priority * 2 bits for subpriority * @arg NVIC_PriorityGroup_3: 3 bits for pre-emption priority * 1 bits for subpriority * @arg NVIC_PriorityGroup_4: 4 bits for pre-emption priority * 0 bits for subpriority * @retval None */
    
    void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
    {
      assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(NVIC_PriorityGroup));
      SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
    }
    
    //core_cm3.h
    /** @addtogroup CMSIS_CM3_SCB CMSIS CM3 SCB memory mapped structure for System Control Block (SCB) @{ */
    typedef struct
    {
      __I  uint32_t CPUID;                        /*!< Offset: 0x00 CPU ID Base Register */
      __IO uint32_t ICSR;                         /*!< Offset: 0x04 Interrupt Control State Register */
      __IO uint32_t VTOR;                         /*!< Offset: 0x08 Vector Table Offset Register */
      __IO uint32_t AIRCR;                        /*!< Offset: 0x0C Application Interrupt / Reset Control Register */
      __IO uint32_t SCR;                          /*!< Offset: 0x10 System Control Register */
      __IO uint32_t CCR;                          /*!< Offset: 0x14 Configuration Control Register */
      __IO uint8_t  SHP[12];                      /*!< Offset: 0x18 System Handlers Priority Registers (4-7, 8-11, 12-15) */
      __IO uint32_t SHCSR;                        /*!< Offset: 0x24 System Handler Control and State Register */
      __IO uint32_t CFSR;                         /*!< Offset: 0x28 Configurable Fault Status Register */
      __IO uint32_t HFSR;                         /*!< Offset: 0x2C Hard Fault Status Register */
      __IO uint32_t DFSR;                         /*!< Offset: 0x30 Debug Fault Status Register */
      __IO uint32_t MMFAR;                        /*!< Offset: 0x34 Mem Manage Address Register */
      __IO uint32_t BFAR;                         /*!< Offset: 0x38 Bus Fault Address Register */
      __IO uint32_t AFSR;                         /*!< Offset: 0x3C Auxiliary Fault Status Register */
      __I  uint32_t PFR[2];                       /*!< Offset: 0x40 Processor Feature Register */
      __I  uint32_t DFR;                          /*!< Offset: 0x48 Debug Feature Register */
      __I  uint32_t ADR;                          /*!< Offset: 0x4C Auxiliary Feature Register */
      __I  uint32_t MMFR[4];                      /*!< Offset: 0x50 Memory Model Feature Register */
      __I  uint32_t ISAR[5];                      /*!< Offset: 0x60 ISA Feature Register */
    } SCB_Type;  
    
    //main.c
    //设置中断分组为 组2
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

### 3）设置中断优先级 ###

中断优先级的设置 NVIC为我们提供了 寄存器，其寄存器机构如下：

typedef struct
    {
      __IO uint32_t ISER[8]; //中断使能寄存器组 
           uint32_t RESERVED0[24];                                   
      __IO uint32_t ICER[8]; //中断失能寄存器组 
           uint32_t RSERVED1[24];                                    
      __IO uint32_t ISPR[8];  //中断挂起寄存器组 
           uint32_t RESERVED2[24];                                   
      __IO uint32_t ICPR[8];  //中断解挂寄存器组 
           uint32_t RESERVED3[24];                                   
      __IO uint32_t IABR[8];  //中断激活标志位寄存器组 
           uint32_t RESERVED4[56];                                   
      __IO uint8_t  IP[240];  //中断优先级控制的寄存器组 
           uint32_t RESERVED5[644];                                  
      __O  uint32_t STIR;                         
    }  NVIC_Type;

①IP\[240\]（中断优先级控制器组）  
中断优先级的设置 使用的是 IP\[240\]，看结构体定义我们知道 系统定义了240个8位寄存器，每个中断使用一个寄存器来确定优先级。  
stm32f10x系列一共有60个可屏蔽中断，使用IP\[0\]~IP\[59\]。每个IP寄存器仅用到了**高四位**，低4位不用。  
②ISER\[8\]（中断使能寄存器组）  
用来使能中断，32位寄存器，每个位控制一个中断的使能。STM32F10x只有60个可屏蔽中断，所以只使用了其中的ISER\[0\]和ISER\[1\]。ISER\[0\]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ISER\[1\]的bit0~27对应中断32~59；  
③ICER\[8\]（中断失能寄存器组）  
用来失能中断，32位寄存器，每个位控制一个中断的失能。STM32F10x只有60个可屏蔽中断，所以只使用了其中的ICER\[0\]和ICER\[1\]。ICER\[0\]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ICER\[1\]的bit0~27对应中断32~59；

①②③使用库函数 void NVIC\_Init(NVIC\_InitTypeDef\* NVIC\_InitStruct);进行配置

④ISPR\[8\]（中断挂起控制寄存器组）  
⑤ICPR\[8\]（中断解挂控制寄存器组）

④⑤使用到的库函数有：  
static \_\_INLINE void NVIC\_SetPendingIRQ(IRQn\_Type IRQn)；  
static \_\_INLINE uint32\_t NVIC\_GetPendingIRQ(IRQn\_Type IRQn)；  
static \_\_INLINE void NVIC\_ClearPendingIRQ(IRQn\_Type IRQn)

⑥IABR \[8\]（中断激活标志位寄存器组）  
作用：只读，通过它可以知道当前在执行的中断是哪一个。  
如果对应位为1，说明该中断正在执行。  
该寄存器配置涉及到的库函数为 static \_\_INLINE uint32\_t NVIC\_GetActive(IRQn\_Type IRQn)

### 4）库函数 设置 中断 ###

中断优先级设置步骤如下：  
①系统运行后先设置中断优先级分组。调用函数：  
void NVIC\_PriorityGroupConfig(uint32\_t NVIC\_PriorityGroup); 整个系统执行过程中，只设置一次中断分组。  
②针对每个中断，设置对应的抢占优先级和响应优先级：  
void NVIC\_Init(NVIC\_InitTypeDef\* NVIC\_InitStruct);  
③如果需要挂起/解挂，查看中断当前激活状态，分别调用相关函数即可。

//设置中断分组为 组2 ，仅设置一次
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//串口1中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1 ;//抢占优先级为1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;// 子优先级位2
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据上面指定的参数初始化NVIC寄存器

## 2、延时 ##

本小节定义的延时函数使用到了Systick定时器。Cortex™-M3,Cortex™-M4内核芯片，都有Systick定时器。**Systick定时器常用来做延时，或者实时系统的心跳时钟。**这样可以节省MCU资源，不用浪费一个定时器。比如UCOS中，分时复用，需要一个最小的时间戳，一般在STM32+UCOS系统中，都采用Systick做UCOS心跳时钟。

Systick定时器就是系统滴答定时器，一个24 位的倒计数定时器，计到0 时，将从RELOAD 寄存器中自动重装载定时初值。只要不把它在SysTick 控制及状态寄存器中的使能位清除，就永不停息，即使在睡眠模式下也能工作。

SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15）。

misc.h为我们定义了Systick寄存器，如下

/******************************************************************************/
    /* */
    /* SystemTick */
    /* */
    /******************************************************************************/
    
    /***************** Bit definition for SysTick_CTRL register *****************/
    #define SysTick_CTRL_ENABLE ((uint32_t)0x00000001) /*!< Counter enable */
    #define SysTick_CTRL_TICKINT ((uint32_t)0x00000002) /*!< Counting down to 0 pends the SysTick handler */
    #define SysTick_CTRL_CLKSOURCE ((uint32_t)0x00000004) /*!< Clock source */
    #define SysTick_CTRL_COUNTFLAG ((uint32_t)0x00010000) /*!< Count Flag */
    
    /***************** Bit definition for SysTick_LOAD register *****************/
    #define SysTick_LOAD_RELOAD ((uint32_t)0x00FFFFFF) /*!< Value to load into the SysTick Current Value Register when the counter reaches 0 */
    
    /***************** Bit definition for SysTick_VAL register ******************/
    #define SysTick_VAL_CURRENT ((uint32_t)0x00FFFFFF) /*!< Current value at the time the register is accessed */
    
    /***************** Bit definition for SysTick_CALIB register ****************/
    #define SysTick_CALIB_TENMS ((uint32_t)0x00FFFFFF) /*!< Reload value to use for 10ms timing */
    #define SysTick_CALIB_SKEW ((uint32_t)0x40000000) /*!< Calibration value is not exactly 10 ms */
    #define SysTick_CALIB_NOREF ((uint32_t)0x80000000) /*!< The reference clock is not provided */

从上面可看出Cortex™-M3内核设计有4个Systick寄存器  
1）CTRL  
CTRL是SysTick控制和状态寄存器  
![CRTL][]  
对于STM32，外部时钟源是 HCLK(AHB总线时钟）的1/8  
内核时钟是 HCLK时钟  
配置函数：SysTick\_CLKSourceConfig();  
2）LOAD  
LOAD是SysTick重装载数值寄存器  
![LOAD][]  
3）VAL  
VAL是SysTick当前值寄存器  
![VAL][]  
4）CALIB  
CALIB是SysTick校准值寄存器  
![CALIB][]

常用SysTick相关函数  
①SysTick\_CLKSourceConfig() //Systick时钟源选择 misc.c文件中

/** @defgroup SysTick_clock_source **/
    #define SysTick_CLKSource_HCLK_Div8 ((uint32_t)0xFFFFFFFB)
    #define SysTick_CLKSource_HCLK ((uint32_t)0x00000004)
    #define IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SOURCE) (((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK) || \
                                           ((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK_Div8))
    
    /** * @brief Configures the SysTick clock source. * @param SysTick_CLKSource: specifies the SysTick clock source. * This parameter can be one of the following values: * @arg SysTick_CLKSource_HCLK_Div8: AHB clock divided by 8 selected as SysTick clock source. * @arg SysTick_CLKSource_HCLK: AHB clock selected as SysTick clock source. * @retval None */
    void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)
    {
      /* Check the parameters */
      assert_param(IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SysTick_CLKSource));
      if (SysTick_CLKSource == SysTick_CLKSource_HCLK)
      {
        SysTick->CTRL |= SysTick_CLKSource_HCLK;
      }
      else
      {
        SysTick->CTRL &= SysTick_CLKSource_HCLK_Div8;
      }
    }

②SysTick\_Config(uint32\_t ticks) //初始化systick,时钟为HCLK,并开启中断  
//core\_cm3.h/core\_cm4.h文件中

/** * @brief Initialize and start the SysTick counter and its interrupt. * * @param ticks number of ticks between two interrupts * @return 1 = failed, 0 = successful * * Initialise the system tick timer and its interrupt and start the * system tick timer / counter in free running mode to generate * periodical interrupts. */
    static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
    { 
      if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            /* Reload value impossible */
    
      SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;      /* set reload register */
      NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Cortex-M0 System Interrupts */
      SysTick->VAL   = 0;                                          /* Load the SysTick Counter Value */
      SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | 
                       SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   | 
                       SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                    /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
      return (0);                                                  /* Function successful */
    }

③void SysTick\_Handler(void) //中断服务函数

下面的程序即是一个简单的使用SysTick利用中断实现的delay延时，如下：

static __IO uint32_t TimingDelay;
    void Delay(__IO uint32_t nTime)
    { 
       TimingDelay = nTime;
       while(TimingDelay != 0);
    }
    void SysTick_Handler(void)
    {
        if (TimingDelay != 0x00) 
         { 
           TimingDelay--;
         }
    }
     int main(void)
     {  …
        if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) //systick时钟为HCLK，中断时间间隔1ms，我们知道SystemCoreClock在system_stm32f10x.c文件总定义为uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_72MHz;SystemClock=7200000，SystemCoreClock/1000=7200,而系统频率使72MHz，即周期T=1/(72*1000*1000)s,则SystemCoreClock/1000*T=1/1000s=1ms
        {
         while (1);
        }
        while(1)
        { 
            Delay(200);//2ms
            … 
        }
    }

## 3、端口复用和重映射 ##

### 1）端口复用 ###

端口复用就是指用GPIO复用为内置外设引脚。如stm32f103的PA9、PA10可以不作为GPIO而复用为串口1的发送接收引脚。

端口复用配置过程如下：  
①GPIO端口时钟使能  
RCC\_APB2PeriphClockCmd(RCC\_APB2Periph\_GPIOA, ENABLE);  
②复用外设时钟使能  
RCC\_APB2PeriphClockCmd(RCC\_APB2Periph\_USART1, ENABLE);  
③端口模式配置  
GPIO\_Init();

下面以串口1复用为例，我们从《STM32中文参考手册V10》P110的表格“8.1.11外设的GPIO配置”可知GPIO作为串口使用时 GPIO的模式为什么，如下表  
![GPIO][]

//①IO时钟使能
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    //②外设时钟使能
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    //③初始化IO为对应的模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9//复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10 PA.10 浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

### 2）端口映射 ###

每个内置外设都有若干个输入输出引脚，一般这些引脚的输出端口都是固定不变的，为了让设计工程师可以更好地安排引脚的走向和功能，在STM32中引入了外设引脚重映射的概念，即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。  
为了使不同器件封装的外设IO功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。STM32中有很多内置外设的输入输出引脚都具有重映射(remap)的功能。

重映射操作步骤  
①使能被重新映射的I/O端口时钟  
②使能被重映射的外设时钟  
③**使能AFIO功能的时钟**  
④进行重映射

如串口1重映射步骤如下：  
①使能GPIO时钟（重映射后的IO);  
②使能功能外设时钟（例如串口1);  
③使能AFIO时钟。重映射必须使能AFIO时钟：  
RCC\_APB2PeriphClockCmd(RCC\_APB2Periph\_AFIO, ENABLE);  
④开启重映射。  
GPIO\_PinRemapConfig(GPIO\_Remap\_USART1, ENABLE);  
根据第一个参数，来确定是部分重映射还是全部重映射

上面看到两个词 部分重映射、全部重映射，下面说一下这两个的概念

*  部分重映射：功能外设的部分引脚重新映射，还有一部分引脚是原来的默认引脚。
 *  完全重映射：功能外设的所有引脚都重新映射。

USART3中可看出两者的区别  
![重映射][SouthEast]

在stm32f10x\_gpio.h中定义了重映射的类别，下面是串口的定义

#define GPIO_Remap_USART1 ((uint32_t)0x00000004) /*!< USART1 Alternate Function mapping */
    #define GPIO_Remap_USART2 ((uint32_t)0x00000008) /*!< USART2 Alternate Function mapping */
    #define GPIO_PartialRemap_USART3 ((uint32_t)0x00140010) /*!< USART3 Partial Alternate Function mapping */
    #define GPIO_FullRemap_USART3 ((uint32_t)0x00140030) /*!< USART3 Full Alternate Function mapping */

端口重映射寄存器

*  AFIO\_MAPR：配置复用功能重映射
 *  AFIO\_EXTICRX:配置外部中断线映射
 *  AFIO\_EVCR: 配置EVENTOUT事件输出

**对用使用AFIO寄存器需要首先开启AFIO时钟**

[stm32]: /images/20220601/55ab0ab0ecec42529a4634af9ffb064b.png
[stm32 1]: https://img-blog.csdn.net/20180117160254083?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvZmVuZ3NodWl5dWU=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast
[aircr]: /images/20220601/c955906f55b34cf78972064000f201e7.png
[CRTL]: /images/20220601/ed848136d1864b8aad3550f2741fc762.png
[LOAD]: /images/20220601/28a61c2ffdd04ea091f70834dda3886d.png
[VAL]: /images/20220601/ca9214f39b904af3a419e170f8080bca.png
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