HAL庫中STM32F7的串口中斷響應(yīng)過程簡析

中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的組成機(jī)制之一，在ARM架構(gòu)里，通常稱為異常（Exception），在文檔里是這么說的：

An exception can be caused by the execution of an exception generating instruction or triggered as a response to a system behavior such as an interrupt, memory management protection violation, alignment or bus fault, or a debug event.

意思是異常是由某些能夠生成異常的指令（例如：SVC）或者是響應(yīng)外部中斷、內(nèi)存沖突、對(duì)齊或總線錯(cuò)誤、調(diào)試等系統(tǒng)行為導(dǎo)致的。

所以，在ARM架構(gòu)里，中斷指的是外設(shè)產(chǎn)生的需要系統(tǒng)優(yōu)先處理的事件，是異常的一種。異常由NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）模塊統(tǒng)一管理。

關(guān)于中斷和異常的工作原理，在ARM架構(gòu)下的工作方式等這里不做展開，需要復(fù)習(xí)這些知識(shí)點(diǎn)的建議找ARM內(nèi)核架構(gòu)的文檔去看。這里主要以HAL庫中STM32F7的串口中斷響應(yīng)過程為例，來看一下中斷到底是怎么工作的，為什么能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1. CubeMX配置串口1工作在中斷模式下

還是之前的點(diǎn)燈例程，按下圖配置串口1，重新生成代碼。

需要說明的是，ARM的中斷優(yōu)先級(jí)分為搶占式優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)，STM32采用4個(gè)優(yōu)先級(jí)位，也即4個(gè)優(yōu)先級(jí)位都為搶占式優(yōu)先級(jí)（FreeRTOS就是這樣處理的）時(shí)，總共有16個(gè)優(yōu)先級(jí)別，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。這里默認(rèn)就行。

2. 生成代碼分析

在生成的工程里Core->Src目錄下，會(huì)多一個(gè)usart.c的源文件，里邊有下面三個(gè)函數(shù)，把代碼注釋寫出來：

//串口1初始化函數(shù)
void MX_USART1_UART_Init(void)
{   
    //設(shè)置串口1工作參數(shù)：115200bps，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位
    //調(diào)用HAL的串口初始化函數(shù)HAL_UART_Init(&huart1)
}


//串口的MSP（MCU Support Package）初始化，這是與硬件相關(guān)的初始化，單獨(dú)提出來，方便移植
//這是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，會(huì)被HAL的串口初始化函數(shù)調(diào)用
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{
    //串口1相關(guān)時(shí)鐘使能
    //串口1相關(guān)GPIO初始化
    //設(shè)置NVIC，使能串口1中斷
}


//串口MSP的反初始化，調(diào)用這個(gè)函數(shù)會(huì)使串口失能，相關(guān)的時(shí)鐘、引腳和中斷恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài)
void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{
    //失能串口1時(shí)鐘
    //失能串口1引腳
    //失能串口1中斷
}

在main.c中調(diào)用串口1初始化函數(shù)，程序運(yùn)行時(shí)完成串口1的初始化。

另外，在stm32f7xx.c中，增加了下面的函數(shù)：

void USART1_IRQHandler(void)
{
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

這是串口1 的中斷服務(wù)程序，通過調(diào)用HAL庫的串口中斷處理程序HAL_UART_IRQHandler完成中斷響應(yīng)。這個(gè)中斷服務(wù)程序完全可以針對(duì)該串口完成的具體功能自己去寫，效率更高。調(diào)用HAL庫完成中斷處理更簡單方便，可移植性更好。

另外要注意的是，調(diào)用HAL庫完成中斷處理的話，還需要自己重寫中斷處理的回調(diào)函數(shù)，HAL庫里的回調(diào)函數(shù)是一個(gè)弱函數(shù)，本身并沒有實(shí)現(xiàn)任何功能。這也很好理解，每個(gè)應(yīng)用的需求都不同，不可能寫出一個(gè)通用的中斷處理函數(shù)。而且有一個(gè)回調(diào)用的弱函數(shù)在，就算是用戶程序沒有實(shí)現(xiàn)，也不會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

3. 添加代碼實(shí)現(xiàn)功能

假設(shè)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡單的情況，串口每接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，非n則計(jì)數(shù)器RxCounter加1，否則計(jì)數(shù)器清零。為了方便觀察，我們按下邊這樣實(shí)現(xiàn)。

在main.c中定義兩個(gè)全局變量，并申明usart.c中定義的串口1的句柄，如下：

uint8_t* Uart1RxBuff = 0;
uint8_t RxCounter = 0;


extern UART_HandleTypeDef huart1;

并在main函數(shù)的while循環(huán)前加如下代碼，實(shí)現(xiàn)串口1每接收一個(gè)字節(jié)產(chǎn)生中斷，接收的數(shù)據(jù)存放在Uart1RxBuff中。

if (HAL_UART_Receive_IT(&huart1, Uart1RxBuff, 1) != HAL_OK)
{
    Error_Handler();
}

在usart.c中，聲明main.c中定義的兩個(gè)全局變量：

extern uint8_t* Uart1RxBuff;
extern uint8_t RxCounter;

并重新實(shí)現(xiàn)接收中斷的回調(diào)函數(shù)如下：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    /*判斷是否是串口1中斷*/
    if(huart- >Instance == USART1)
    {
        /*判斷接收的數(shù)據(jù)是否為n*/
        if(*Uart1RxBuff != 'n')
        {
             RxCounter ++;
        }
        else
        {
             RxCounter = 0;
        }
        /*重新使能串口1接收中斷*/
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, Uart1RxBuff, 1);
     }
}

而HAL庫中的接收回調(diào)弱函數(shù)的代碼如下：

__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);


  /* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,
            the HAL_UART_RxCpltCallback can be implemented in the user file.
   */
}

另外， UNUSED是一個(gè)宏，定義如下：

#define UNUSED(X) (void)X      /* To avoid gcc/g++ warnings */

好了，到此就完成了一個(gè)簡單的串口接收中斷處理的任務(wù)。能夠判斷接收的有效字符數(shù)。

4. 中斷響應(yīng)過程分析

串口1接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，USART_ISR寄存器的RXNE位置1，如果對(duì)應(yīng)的接收中斷使能的話，則會(huì)向NVIC產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，NVIC根據(jù)中斷源（USART1）去中斷向量表相應(yīng)的地址上找到中斷向量（中斷服務(wù)程序的入口地址），執(zhí)行串口1的中斷服務(wù)程序。

由上圖可以看出，USART1的中斷向量偏移地址為0x000000D4，默認(rèn)是從零地址開始偏移，所以實(shí)際地址也為0x000000D4。中斷向量表這個(gè)地址上存儲(chǔ)的中斷向量是中斷服務(wù)程序USART1_IRQHandler的入口地址?？催^之前文章關(guān)于啟動(dòng)代碼的分析就應(yīng)該知道，在啟動(dòng)代碼里定義好了中斷向量表，中斷向量地址是由鏈接器生成符號(hào)地址后裝入中斷向量表的。

那么接下來的調(diào)用過程是這樣的：

5. 小結(jié)

基于HAL庫的串口中斷的基本流程就是這樣，但是并沒有深入去查看相關(guān)庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，想全面掌握的話還需要去仔細(xì)閱讀庫函數(shù)源碼。