明解STM32—GPIO應用設計篇之IO外部中斷EXTI原理及使用方法
在之前針對STM32的GPIO相關API函數及設定使用進行了詳細的介紹，GPIO作為輸入引腳時，呼叫相關讀訊號引腳函數介面就可以在程式的迴圈中，輪詢的對輸入訊號進行讀取檢測操作，除了輪詢的方式存取輸入引腳，還可以通過另外一種叫做外部中斷的方式來對引腳的輸入訊號進行檢測，本篇首先介紹下EXTI的結構，接著介紹外部中斷的相關概念，對STM32的IO外部中斷EXTI有個初步的瞭解，在此基礎上重點圍繞IO外部中斷EXTI的使用展開分析。
圖1 外部中斷設計
二、EXTI結構
EXTI（External interrupt/event controller）—外部中斷/事件控制器，管理了控制器的 20箇中斷/事件線。每個中斷/事件線都對應有一個邊沿檢測器，可以實現輸入訊號的上升沿檢測和下降沿的檢測。EXTI 可以實現對每個中斷/事件線進行單獨設定，可以單獨設定為中斷或者事件，以及觸發事件的屬性。
在圖2可以看到很多在訊號線上打一個斜槓並標註「20」字樣，這個表示在控制器內部類似的訊號線路有 20 個，這與 EXTI 總共有 20 箇中斷/事件線是吻合的。所以我們只要明白其中一個的原理，那其他 19 個線路原理也就知道了。
圖2 EXTI結構
EXTI 可分為兩大部分功能，一個是產生中斷，另一個是產生事件，這兩個功能從硬體上就有所不同。
中斷和事件的區別：
事件：某一訊號出現，比如上升沿或者下降沿。不一定觸發中斷。
中斷：某一的事件發生，併產生中斷，然後跳到相應的中斷服務函數中進行相應的處理。
首先我們來看圖中紅色虛線指示的電路流程。它是一個產生中斷的線路，最終訊號流入到 NVIC 控制器內。
編號 1 是輸入線，EXTI 控制器有 19 箇中斷/事件輸入線，這些輸入線可以通過暫存器設定為任意一個 GPIO，也可以是一些外設的事件，這部分內容我們將在後面專門講解。輸入線一般是存在電平變化的訊號。
編號 2 是一個邊沿檢測電路，它會根據上升沿觸發選擇寄存(EXTI_RTSR)和下降沿觸發選擇暫存器(EXTI_FTSR)對應位的設定來控制訊號觸發。邊沿檢測電路以輸入線作為訊號輸入端，如果檢測到有邊沿跳變就輸出有效訊號 1 給編號 3 電路，否則輸出無效訊號0。而 EXTI_RTSR 和 EXTI_FTSR 兩個暫存器可以控制器需要檢測哪些型別的電平跳變過程，可以是隻有上升沿觸發、只有下降沿觸發或者上升沿和下降沿都觸發。
編號 3 電路實際就是一個或閘電路，它一個輸入來自編號 2 電路，另外一個輸入來自軟體中斷事件暫存器(EXTI_SWIER)。EXTI_SWIER允許我們通過程式控制就可以啟動中斷/事件線，這在某些地方非常有用。我們知道或門的作用就是有 1 就為 1，所以這兩個輸入隨便一個有有效訊號 1就可以輸出 1 給編號 4和編號 6電路。
編號 4 電路是一個與閘電路，它一個輸入是編號 3 電路，另外一個輸入來自中斷遮蔽暫存器(EXTI_IMR)。與閘電路要求輸入都為 1 才輸出 1，導致的結果是如果EXTI_IMR 設定為 0 時，那不管編號 3 電路的輸出訊號是 1 還是 0，最終編號 4 電路輸出的訊號都為 0；如果EXTI_IMR設定為1時，最終編號4電路輸出的訊號才由編號3電路的輸出訊號決定，這樣我們可以簡單的控制 EXTI_IMR 來實現是否產生中斷的目的。編號 4 電路輸出的訊號會被儲存到掛起暫存器(EXTI_PR)內，如果確定編號 4 電路輸出為 1 就會把 EXTI_PR 對應位置1。
編號 5 是將 EXTI_PR 暫存器內容輸出到 NVIC 內，從而實現系統中斷事件控制。
接下來我們來看看綠色虛線指示的電路流程。它是一個產生事件的線路，最終輸出一個脈衝訊號。產生事件線路是在編號3電路之後與中斷線路有所不同，之前電路都是共用的。
編號6電路是一個與門，它一個輸入來自編號 3 電路，另外一個輸入來自事件遮蔽暫存器(EXTI_EMR)。如果 EXTI_EMR設定為 0時，那不管編號 3電路的輸出訊號是 1還是 0，最終編號 6 電路輸出的訊號都為 0；如果EXTI_EMR 設定為 1 時，最終編號 6 電路輸出的訊號才由編號 3 電路的輸出訊號決定，這樣我們可以簡單的控制 EXTI_EMR 來實現是否產生事件的目的。
編號 7 是一個脈衝發生器電路，當它的輸入端，即編號 6 電路的輸出端，是一個有效訊號 1 時就會產生一個脈衝；如果輸入端是無效訊號就不會輸出脈衝。
編號 8 是一個脈衝訊號，就是產生事件的線路最終的產物，這個脈衝訊號可以給其他外設電路使用，比如定時器 TIM、模擬數位轉換器 ADC等等，這樣的脈衝訊號一般用來觸發 TIM 或者 ADC開始轉換。
產生中斷線路目的是把輸入訊號輸入到 NVIC，進一步會執行中斷服務函數，實現功能，這樣是軟體級的。而產生事件線路目的就是傳輸一個脈衝訊號給其他外設使用，並且是電路級別的訊號傳輸，屬於硬體級的。
另外，EXTI是在 APB2匯流排上的，在程式設計時候需要注意到這點。
三、IO外部中斷概念
外部中斷是微控制器實時地處理外部事件的一種內部機制。當某種外部事件發生時，微控制器的中斷系統將迫使CPU暫停正在執行的程式，轉而去進行中斷事件的處理；中斷處理完畢後．又返回被中斷的程式處，繼續執行下去。
圖3 外部中斷概念內容
1、外部中斷對映
外部中斷/事件控制器EXTI包含多達 23 個用於產生事件/中斷請求的邊沿檢測器。每根輸入線都可單獨進行設定，以選擇型別（中斷或事件）和相應的觸發事件（上升沿觸發、下降沿觸發或邊沿觸發）。每根輸入線還可單獨遮蔽。
以STM32F407為例，支援多達 23 個軟體事件/中斷請求，這些事件/中斷請求通過EXTI線輸入到EXTI控制器中去，其中各EXTI線連線如下：
EXTI_Line0~15：連線外部 GPIO 口的輸入中斷。
EXTI_Line16：連線到 PVD 輸出
EXTI_Line17：連線到 RTC 鬧鐘事件
EXTI_Line18：連線到 USB OTG FS 喚醒事件
EXTI_Line19：連線到乙太網喚醒事件
EXTI_Line20：連線到 USB OTG HS（在 FS 中設定）喚醒事件
EXTI_Line21：連線到 RTC 入侵和時間戳事件
EXTI_Line22：連線到 RTC 喚醒事件
我們在這裡重點討論的是GPIO口的輸入中斷，因此EXTI_Line16~EXTI_Line22不是本文討論的重點。STM32的每個GPIO引腳都可以作為外部中斷輸入，STM32的GPIO口引腳多達幾十個甚至上百個，因此既然每個GPIO引腳都可以作為外部中斷輸入，而EXTI_Line0~15只有16個，因此IO引腳和外部中斷線的對應關係如下：
圖4 外部中斷/事件 GPIO 對映
從圖4中可以看出，由於STM32每個GPIO埠都有16個pin引腳，因此EXTI_Line0~15對應的是引腳pin0~pin15。例如EXTI_Line0對應GPIOA0~GPIOI0，因此類推EXTI_Line1對應GPIOA1~GPIOI1，因此每個EXTI_Line可以對應最多9個pin引腳，具體對映到那個pin引腳上，需要進行相應的設定。
2、外部中斷暫存器
(1)、中斷遮蔽暫存器EXTI_IMR
圖5為斷遮蔽暫存器定義，本暫存器用於開啟和關閉外部中斷的請求，0~22位有效，對應之前提到的23個外部中斷請求，對應的位寫0時，關閉外部中斷請求；對應位寫1時，開啟外部中斷請求。
圖5 中斷遮蔽暫存器定義
(2)、事件遮蔽暫存器EXTI_EMR
圖6為事件遮蔽暫存器定義，本暫存器用於開啟和關閉外部事件的請求，0~22位有效，對應之前提到的23個外部事件請求，對應的位寫0時，關閉外部事件請求；對應位寫1時，開啟外部事件請求。事件只是一個觸發訊號，它作為中斷的觸發源，可以觸發中斷，也可以不觸發中斷，開啟對應EXTI_IMR的中斷遮蔽位，那麼事件可以觸發對應的中斷。只有觸發了中斷後，程式才會跳轉到對應的中斷處理程式中去。
圖6 事件遮蔽暫存器定義
(3)、上升沿觸發選擇暫存器EXTI_RTSR
圖7為上升沿觸發選擇暫存器定義，本暫存器用於設定外部中斷的觸發事件是訊號的上升沿，0~22位有效，對應之前提到的23個外部事件請求，對應的位寫0時，關閉外部事件訊號上升沿請求，不可以觸發訊號上升沿中斷；對應位寫1時，開啟外部訊號上升沿請求，可以觸發訊號上升沿中斷。
圖7 上升沿觸發選擇暫存器定義
(4)、下降沿觸發選擇暫存器EXTI_FTSR
圖8為下降沿觸發選擇暫存器定義，本暫存器用於設定外部中斷的觸發事件是訊號的下降沿，0~22位有效，對應之前提到的23個外部事件請求，對應的位寫0時，關閉外部事件訊號下降沿請求，不可以觸發訊號下降沿中斷；對應位寫1時，開啟外部訊號下降沿請求，可以觸發訊號下降沿中斷。
圖8 下降沿觸發選擇暫存器定義
(5)、軟體中斷事件暫存器EXTI_SWIER
圖9為軟體中斷事件暫存器定義，本暫存器可以用軟體程式的方式來觸發事件中斷的產生，用來模擬外部實際事件中斷的產生，0~22位有效，對應之前提到的23個外部事件請求，對應位寫1時，用於模擬外部事件的產生，對應位寫0時，用於復位事件狀態，下次可以再寫1產生事件。因此，這個暫存器是用軟體程式模擬外部實際事件的產生從而觸發中斷，當然前提是開啟了IMR和EMR。
圖9 軟體中斷事件暫存器定義
(6)、掛起暫存器EXTI_PR
圖10為掛起暫存器暫存器定義，本暫存器可以標誌是否產生了外部中斷事件請求，同時可以通過向對應位寫1來清除中斷事件，0~22位有效，對應之前提到的23個外部事件請求，讀到對應位為1時，表示發生了外部事件中斷；讀到對應位為1時，表示沒有發生外部事件中斷。因此一旦觸發中斷條件就對應位被置為1，不過要在中斷服務函數裡面向對應位寫1清除中斷，不然就導致會一直進入中斷。
圖10 掛起暫存器定義
3、外部中斷API函數
本節所介紹的STM32的EXTI函數介面是STM32標準庫的函數介面，在詳細介紹各個API函數介面功能之前，我們需要對函數介面中使用到的關鍵的引數進行分析。
1 EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct
這個引數是EXTI函數埠需要初始化的功能引數的結構體指標，下面我們看看這個結構體的定義。
1 typedef struct 2 { 3 uint32_t EXTI_Line; //外部中斷事件連線線 4 EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode; //外部中斷事件模式 5 EXTITrigger_TypeDef EXTI_Trigger; //邊沿事件觸發方式 6 FunctionalState EXTI_LineCmd; //外部中斷事件連線線開關 7 }EXTI_InitTypeDef;
(a)、外部中斷事件連線線：可選範圍為EXTI_Line0~EXTI_Line15。
(b)、外部中斷事件模式：用於選擇發生EXTI的模式，可選的模式如下。
1 typedef enum 2 { 3 EXTI_Mode_Interrupt = 0x00, //中斷模式 4 EXTI_Mode_Event = 0x04 //事件模式 5 }EXTIMode_TypeDef;
(c)、邊沿事件觸發方式：用於選擇外部IO輸入時訊號邊沿觸發事件的方式。
1 typedef enum 2 { 3 EXTI_Trigger_Rising = 0x08, //訊號上升沿觸發 4 EXTI_Trigger_Falling = 0x0C, //訊號下降沿觸發 5 EXTI_Trigger_Rising_Falling = 0x10 //訊號雙邊沿觸發 6 }EXTITrigger_TypeDef;
(d)、外部中斷事件連線線開關：用於開啟和關閉外部中斷事件連線線。
1 typedef enum 2 { 3 DISABLE = 0, //關閉外部中斷事件連線線 4 ENABLE = !DISABLE //開啟外部中斷事件連線線 5 } FunctionalState;
下面就對具體的函數介面進行逐個的介紹。由於使用的是STM32的標準庫，EXTI相關的函數及設定定義和可以呼叫的介面放置在官方提供的標準庫檔案 stm32fxx_exti.c和標頭檔案 stm32fxx_exti.h 檔案中。
(1)、void EXTI_DeInit(void);
作用：將EXTI的各個暫存器值恢復到復位值，各個暫存器復位值如下。
1 EXTI->IMR = 0x00000000; 2 EXTI->EMR = 0x00000000; 3 EXTI->RTSR = 0x00000000; 4 EXTI->FTSR = 0x00000000; 5 EXTI->PR = 0x007FFFFF;
(2)、void EXTI_Init(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct);
作用：對外部中斷的中斷線進行初始化操作。
舉例：
1 EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line2; //外部中斷事件連線線為EXTI2 2 EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//EXTI模式為外部中斷模式 3 EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; //外部IO輸入訊號為下降沿觸發 4 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;//開啟外部中斷事件連線線 5 EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
(3)、void EXTI_StructInit(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct);
作用：獲取EXTI的一個預設狀態，可應用於某個外部中斷事件上。該函數內部預設狀態如下。
1 EXTI_InitStruct->EXTI_Line = EXTI_LINENONE; //外部中斷事件連線線為無 2 EXTI_InitStruct->EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//EXTI模式為外部中斷模式 3 EXTI_InitStruct->EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;//外部IO輸入訊號為下降沿觸發 4 EXTI_InitStruct->EXTI_LineCmd = DISABLE;//關閉外部中斷事件連線線
舉例：EXTI_StructInit(&exti_InitStruct)，使用exti_InitStruct快速獲取到了外部中斷事件預設狀態值。
(4)、void EXTI_GenerateSWInterrupt(uint32_t EXTI_Line);
作用：使用軟體的方式模擬產生一個外部中斷，前提是使能了EXTI_IMR和EXTI_EMR。
舉例：EXTI_GenerateSWInterrupt(EXTI_Line2)，通過軟體方式在EXTI_Line2上產生了一箇中斷。
(5)、FlagStatus EXTI_GetFlagStatus(uint32_t EXTI_Line);
作用：檢測外部事件標誌位，判斷外部事件是否產生。FlagStatus=RESET，事件未產生；FlagStatus=SET，事件產生。
舉例：status = EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line2)，檢測EXTI_Line2上外部事件標誌位。
(6)、void EXTI_ClearFlag(uint32_t EXTI_Line);
作用：清除外部事件標誌位。
舉例：EXTI_ClearFlag(EXTI_Line2)，清除EXTI_Line2外部事件標誌位。
(7)、ITStatus EXTI_GetITStatus(uint32_t EXTI_Line);
作用：檢測外部中斷標誌位，判斷外部中斷是否產生。ITStatus =RESET，中斷未產生；ITStatus=SET，中斷產生。
舉例：status = EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2)，檢測EXTI_Line2上外部中斷標誌位。
(8)、void EXTI_ClearITPendingBit(uint32_t EXTI_Line);
作用：清除外部中斷標誌位。
舉例：EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line2)，清除EXTI_Line2外部中斷標誌位。
四、IO外部中斷設定應用步驟
圖11 IO外部中斷設定使用內容
(1)、初始化相應的GPIO引腳
需要按照GPIO的普通IO輸入進行引腳的初始化，同時使能對用GPIO的外設時鐘。
1 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA的外設時鐘 2 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//設定使用引腳 3 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通IO輸入 4 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//根據實際應用設定輸出速度 5 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//根據實際應用設定上拉或下拉電阻 6 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA1引腳
(2)、初始系統設定控制器SYSCFG
系統設定控制器SYSCFG可以用於管理GPIO外部中斷線連線。需要開啟SYSCFG 時鐘，同時需要將外部中斷事件線 EXTI_Line和GPIO的引腳pin進行關係對映。
1 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);//使能 SYSCFG 時鐘 2 SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource1);//PA1連線到中斷線1
將中斷線 1 與GPIOA 對映起來，那麼此處很顯然是 GPIOA的pin1與 EXTI_Line1中斷線連線了。
(3)、初始化外部中斷事件線
即呼叫EXTI_Init介面對中斷線進行設定，設定好EXTI_Line的引數。
1 EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1; //外部中斷事件連線線為EXTI1，根據實際情況設定 2 EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//EXTI模式為外部中斷模式 3 EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; //外部IO輸入訊號為下降沿觸發根據實際情況設定 4 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;//開啟外部中斷事件連線線 5 EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
(4)、初始化NVIC
NVIC是巢狀向量中斷控制器，屬於核心外設，管理著包括核心和片上所有外設的中斷相關的功能。關於NVIC的知識，可以回顧明解STM32中斷系統的內容進行詳細的瞭解。
1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn; //使能外部中斷EXTI1，根據實際情況設定 2 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //搶佔優先順序2，根據實際情況設定 3 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02; //響應優先順序2，根據實際情況設定 4 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能外部中斷通道 5 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //中斷優先順序分組初始化
(5)、中斷服務函數編寫
雖然EXTI的外部中斷事件線有16個為EXTI_Line0~EXTI_Line15，但是STM32規定好的GPIO外部中斷服務函數只有7個：
1 EXTI0_IRQHandler 2 EXTI1_IRQHandler 3 EXTI2_IRQHandler 4 EXTI3_IRQHandler 5 EXTI4_IRQHandler 6 EXTI9_5_IRQHandler 7 EXTI15_10_IRQHandler
可以看出EXTI_Line0~EXTI_Line4每個中斷線對應一箇中斷函數，中斷線EXTI_Line5~EXTI_Line9共用中斷函數 EXTI9_5_IRQHandler，EXTI_Line10~EXTI_Line15 共用中斷函數 EXTI15_10_IRQHandler。
一個標準的GPIO外部中斷服務函數模板如下：
1 void EXTI1_IRQHandle(void) 2 { 3 if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1)!=RESET)//判斷某個EXTI_Line上的中斷是否發生 4 { 5 ................ //此處使用者自行定義中斷處理邏輯 6 EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3); //清除EXTI_Line上的中斷標誌位 7 } 8 }
需要注意的是：EXTI9_5_IRQHandler和EXTI15_10_IRQHandler這兩個中斷由於是多箇中斷線共用，因此中斷服務函數中可以分別放置多個EXTI_Line的處理邏輯。
五、總結
本篇在GPIO基本API和設定使用流程基礎之前，對EXTI的結構功能，普通IO輸入使用成外部中斷的方式進行了詳細介紹。圍繞外部中斷概念和外部中斷的設定使用分別進行了介紹分析，通過分析外部中斷相關API和暫存器，瞭解外部中斷和GPIO引腳的對映關係，功能特性等，從而能更好的應用外部中斷的介面完成一系列外部中斷的設定使用工作。
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