嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用-基于STM32和RT-Thread 課件 第3、4章 通用輸入輸出、外部中斷

嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用第3章通用輸入輸出1GPIO概念及應(yīng)用場景2IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及工作模式3GPIO應(yīng)用實(shí)例45課后作業(yè)本章總結(jié)GPIO概念GPIO應(yīng)用場景3.1GPIO概念及應(yīng)用場景本節(jié)小結(jié)3.1.1GPIO概念輸入輸出（IO，Input/Output）是微控制器最基本的外設(shè)功能之一。GPIO（GeneralPurposeInputOutput）即通用功能輸入輸出，是相對于復(fù)用功能輸入輸出AFIO（AlternateFunctionInputOutput）而言的。GPIO一般用于輸出開關(guān)信號（高電平/低電平或1/0），接受開關(guān)信號輸入。AFIO是IO的第二功能，根據(jù)功能不同其輸入輸出遵守一定的協(xié)議，如作為串口收發(fā)時，引腳電平根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)變化，作為模擬輸入時，引腳接受的為實(shí)際電壓。3.1.1GPIO概念根據(jù)型號不同，STM32FL431處理器上IO端口和引腳多少不同。64引腳的STM32L431Rx只有A、B、C、D四個IO端口，其中A、B和C端口，每個端口有16個IO引腳，D端口只有1個IO引腳，共49個IO引腳。而100引腳的STM32L431Vx有A、B、C、D和E五個IO端口，每個端口有16個IO引腳，共80個IO引腳。每個引腳都可以用作GPIO，也可用作AFIO。3.1.2GPIO應(yīng)用場景監(jiān)測開關(guān)信號控制開關(guān)設(shè)備1.監(jiān)測開關(guān)信號3.1.2GPIO應(yīng)用場景開關(guān)信號即只有開和關(guān)兩種狀態(tài)的信號，如果開為高（低）電平，則關(guān)為低（高）電平，GPIO通過讀引腳電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號的監(jiān)測，當(dāng)讀到引腳狀態(tài)為1時，表明引腳輸入為高電平，此時可根據(jù)電路原理判斷輸入信號的開關(guān)狀態(tài)。GPIO搭配適當(dāng)電路可監(jiān)測任意開關(guān)信號，包括無源和有源開關(guān)信號。1.監(jiān)測開關(guān)信號3.1.2GPIO應(yīng)用場景（1）無源開關(guān)信號無源開關(guān)信號指傳感器輸出本身不具備高低電平，通常有公共端（COM）、常開（NO）和（或）常閉（NC）等連接線，正常狀態(tài)時，NO和COM斷路，NC和COM短路，當(dāng)傳感器檢測到異常時，NO和COM短路，NC和COM斷路。常見的無源信號有各種按鍵、接近開關(guān)、限位開關(guān)、液位開關(guān)、水浸傳感器輸出、溫度傳感器輸出、繼電器輸出等。1.監(jiān)測開關(guān)信號3.1.2GPIO應(yīng)用場景（2）有源開關(guān)信號有源開關(guān)信號指傳感器輸出本身具備高低電平，相應(yīng)傳感器通常包含電源正極（VCC）、電源負(fù)極（GND）和輸出（OUT），如果正常狀態(tài)時，OUT輸出高（低）電平，則異常狀態(tài)時OUT輸出低（高）電平。由于有源信號輸出具有極性，其輸出高電平電壓一般為5V、12V或24V，超出了MCU引腳承受能力，因此不能直接接到MCU的引腳，可采用光電耦合器進(jìn)行隔離。常見的有源信號有霍爾傳感器輸出、紅外傳感器輸出、火災(zāi)報警器輸出等。2.控制開關(guān)設(shè)備3.1.2GPIO應(yīng)用場景GPIO通過設(shè)置引腳電平高低實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備或器件的開關(guān)控制，搭配適當(dāng)電路可控制任意設(shè)備開關(guān)，控控制方式需結(jié)合原理圖實(shí)現(xiàn)。本節(jié)小結(jié)掌握GPIO應(yīng)用場景；內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)工作模式3.2IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及工作模式本節(jié)小結(jié)3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)1.保護(hù)二極管（鉗位二極管）兩個保護(hù)二極管可以防止引腳輸入電壓過高或過低，當(dāng)引腳電壓高于VDD時，上方的二極管導(dǎo)通，當(dāng)引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導(dǎo)通，將輸入電壓鉗位在VCC和GND之間，防止不正常電壓輸入芯片導(dǎo)致芯片燒毀。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2.上拉電阻和下拉電阻通過配置上拉電阻和下拉電阻的開關(guān)，可以控制引腳默認(rèn)的輸入狀態(tài)。開啟上拉電阻時，引腳默認(rèn)輸入電壓為高電平，稱為上拉輸入模式；開啟下拉時，引腳默認(rèn)輸入電壓為低電平，稱為下拉輸入模式；兩者都不開啟時，默認(rèn)輸入電壓不確定，直接用電壓表測量其引腳電壓為1點(diǎn)幾伏，稱為浮空輸入模式。引腳作為輸入時，一般要根據(jù)原理圖設(shè)置為“上拉輸入模式”或“下拉輸入模式”，使它有默認(rèn)狀態(tài)。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)3.TTL施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器（Schmidttrigger）是一種由電位觸發(fā)的觸發(fā)器（一般觸發(fā)器由時鐘沿觸發(fā)），它在輸入電壓遞減和遞增兩種不同變化方向有不同的閾值電壓，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。施密特觸發(fā)器分為正向施密特觸發(fā)器和反向施密特觸發(fā)器，其符號及輸入輸出特性如圖3-3所示，橫軸為輸入，縱軸為輸出，STM32中采用的是正向施密特觸發(fā)器，對于正向施密特觸發(fā)器，當(dāng)輸入遞減至低于輸入低閾值（VIL）時，輸出變?yōu)榈碗娖剑╒OL），當(dāng)輸入遞增至高于輸入高閾值（VIH）時，輸出變?yōu)楦唠娖健?.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)3.TTL施密特觸發(fā)器3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)4.輸入數(shù)據(jù)寄存器寄存器是MCU內(nèi)部用來存放指令和數(shù)據(jù)的有限存儲容量的高速存儲部件，其本質(zhì)是一種只包含存儲電路（由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成）的時序邏輯電路。由于一個鎖存器或觸發(fā)器能存儲1位二進(jìn)制數(shù)，因此N位寄存器是由N個鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成的。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)4.輸入數(shù)據(jù)寄存器輸入數(shù)據(jù)寄存器是MCU用來保存輸入結(jié)果的寄存器，STM32每個端口都對應(yīng)有一個獨(dú)立的輸入寄存器，輸入寄存器為32位，但只用到低16位存儲對應(yīng)16個引腳的輸入狀態(tài)，高16位保留。引腳輸入信號經(jīng)上拉電阻或下拉電阻后，輸入至TTL施密特觸發(fā)器，模擬信號被施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)化為高電平或低電平，然后以1（高電平）或0（低電平）的數(shù)字信號形式存儲至輸入數(shù)據(jù)寄存器的相應(yīng)位，讀輸入數(shù)據(jù)寄存器即可獲取引腳的輸入電平狀態(tài)。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)5.置位/復(fù)位寄存器置位/復(fù)位寄存器為32位寄存器，直接與輸出數(shù)據(jù)寄存器相連，用于設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器每一位的值。置位/復(fù)位寄存器每兩位對應(yīng)輸出數(shù)據(jù)寄存器的一位，如置位/復(fù)位的第0位設(shè)置為1，則輸出數(shù)據(jù)寄存器的第0位被設(shè)置為1，置位/復(fù)位的第16位設(shè)置為1，則輸出數(shù)據(jù)寄存器的第0位被設(shè)置為0。6.輸出數(shù)據(jù)寄存器端口被設(shè)置成輸出模式后，可以從輸出數(shù)據(jù)寄存器相應(yīng)位讀寫數(shù)據(jù)來判斷和控制IO口的輸出狀態(tài)，與輸入數(shù)據(jù)寄存器一樣，輸出數(shù)據(jù)寄存器為32位，但只用到低16位，且只能以16位的方式讀取和設(shè)置，如要單獨(dú)設(shè)置某一位需通過置位/復(fù)位寄存器。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)7.P-MOS管和N-MOS管P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使IO具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種輸出模式。當(dāng)IO設(shè)置為推挽輸出模式時，如果設(shè)置輸出數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)位為1，則上方的P-MOS導(dǎo)通，下方的N-MOS截止，對外輸出高電平（3.3V），反之，如果設(shè)置輸出數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)位為0，則上方的P-MOS截止，下方的N-MOS導(dǎo)通，對外輸出低電平（0V）。3.2.1IO內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)7.P-MOS管和N-MOS管P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使IO具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種輸出模式。當(dāng)IO設(shè)置為開漏輸出模式時，則上方的P-MOS漏極開路，即P-MOS永遠(yuǎn)截止，此時如果設(shè)置輸出數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)位為1，P-MOS和N-MOS均截止，引腳對外呈現(xiàn)高阻態(tài)，若想讓引腳輸出高電平，則引腳必須外接上拉電阻，由上拉電阻提供高電平。如果設(shè)置輸出數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)位為0，則P-MOS截止，N-MOS導(dǎo)通，對外輸出低電平（0V）。3.2.2IO工作模式8種模式：上拉輸入下拉輸入浮空輸入模擬輸入推挽輸出開漏輸出復(fù)用推挽輸出復(fù)用開漏輸出本節(jié)小結(jié)1.理解STM32內(nèi)部電路原理；2.掌握IO工作模式。狀態(tài)指示燈按鍵控制LED3.3應(yīng)用實(shí)例本節(jié)小結(jié)3.3.1狀態(tài)指示燈1.電路原理及需求分析嵌入式系統(tǒng)中通常采用LED指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，LED相關(guān)電路原理圖如圖所示，LED陽極接高電平，陰極經(jīng)限流電阻后接GPIO引腳，引腳輸出高電平LED熄滅，引腳輸出低電平，LED點(diǎn)亮。上電或復(fù)位后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后，LED1先以0.5s的間隔閃爍3次，然后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，LED1以1s的間隔閃爍。3.3.1狀態(tài)指示燈2.實(shí)現(xiàn)過程（1）創(chuàng)建工程及最小系統(tǒng)配置。（2）引腳功能配置。（3）編程實(shí)現(xiàn)工程。3.3.2按鍵控制LED1.電路原理及需求分析采用按鍵控制LED，按鍵和LED相關(guān)電路原理圖如圖所示，按鍵一端接高電平，另一端經(jīng)限流電阻接GPIO引腳，下方電容和電阻構(gòu)成硬件消抖電路，按鍵松開時讀取引腳為低電平，按鍵按下時讀取引腳為高電平。3.3.2按鍵控制LED1.電路原理及需求分析（1）LED1（PA0）用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。（2）按鍵K1通過輪詢的方式控制LED2，每按一次K1，LED2狀態(tài)發(fā)生一次改變。3.3.2按鍵控制LED2.實(shí)現(xiàn)過程（1）創(chuàng)建工程及最小系統(tǒng)配置。（2）引腳功能配置。（3）編程實(shí)現(xiàn)工程。本節(jié)小結(jié)1.掌握工程創(chuàng)建及最小系統(tǒng)配置；2.掌握GPIO輸出應(yīng)用方法；3.掌握GPIO輸入應(yīng)用方法。3.4本章總結(jié)3.5課后作業(yè)1.繪制本章內(nèi)容思維導(dǎo)圖。2.實(shí)現(xiàn)兩個實(shí)例功能，并總結(jié)實(shí)現(xiàn)過程。謝謝欣賞THEEND嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用第4章外部中斷1中斷基本概念2STM32外部中斷3EXTI應(yīng)用實(shí)例45課后作業(yè)本章總結(jié)HAL_GPIO_ReadPinHAL_GPIO_TogglePinHAL_GPIO_WritePin中斷概念本節(jié)小結(jié)4.1中斷基本概念中斷概念1.中斷中斷：MCU執(zhí)行主程序時，出現(xiàn)了某些意外或緊急事件，需要MCU緊急處理，此時主程序被打斷，MCU轉(zhuǎn)而處理緊急事件，處理完畢后再返回繼續(xù)執(zhí)行主程序的過程。中斷服務(wù)程序通常為一個函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)緊急事件處理功能。中斷源16+67斷點(diǎn)程序指針：指向當(dāng)前主程序運(yùn)行指令的下一條指令中斷概念1.中斷中斷中斷處理刻不容緩大局意識中斷概念2.中斷向量

中斷服務(wù)程序在內(nèi)存中的入口地址稱為中斷向量，把系統(tǒng)中所有中斷向量集中起來放到存儲器的某一區(qū)域內(nèi)，這個存儲中斷向量的存儲區(qū)域稱為中斷向量表。3.嵌套向量中斷控制器嵌套向量中斷控制器（NVIC，NestedVectoredInterruptController）是STM32中斷系統(tǒng)的核心，其作用是為所有中斷提供優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。中斷概念4.中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級表示中斷的重要程度，STM32具有兩類優(yōu)先級，即搶占優(yōu)先級（preemptionpriority）和響應(yīng)優(yōu)先級（subpriority），可通過中斷優(yōu)先級寄存器（NVIC_IPR）進(jìn)行分組配置。中斷優(yōu)先級寄存器采用8位表示優(yōu)先級，理論上可以配置256個中斷優(yōu)先級，實(shí)際上STM32只用了高4位，并可通過編程將這4位分組為搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級。中斷優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高，中斷分組默認(rèn)配置為第4組。判斷中斷優(yōu)先級時先判斷搶占優(yōu)先級，搶占優(yōu)先級高，則該中斷優(yōu)先級高。如果搶占優(yōu)先級相同，則根據(jù)響應(yīng)優(yōu)先級判斷，如果響應(yīng)優(yōu)先級也相同，則根據(jù)中斷通道向量地址判斷。中斷概念4.中斷優(yōu)先級優(yōu)先級分組搶占優(yōu)先級響應(yīng)優(yōu)先級第0組：NVIC_PriorityGroup_0無4位/16級（0~15）第1組：NVIC_PriorityGroup_11位/2級（0~1）3位/8級（0~7）第2組：NVIC_PriorityGroup_22位/4級（0~3）2位/4級（0~3）第3組：NVIC_PriorityGroup_33位/8級（0~7）1位/2級（0~1）第4組：NVIC_PriorityGroup_44位/16級（0~15）無中斷概念5.中斷執(zhí)行順序

多個中斷發(fā)生時，MCU根據(jù)中斷優(yōu)先級確定中斷執(zhí)行順序，中斷執(zhí)行遵循如下規(guī)則：

（1）允許中斷嵌套，即優(yōu)先執(zhí)行搶占優(yōu)先級高的中斷。如執(zhí)行中斷A時，發(fā)生了搶占優(yōu)先級更高的中斷B，則暫停中斷A處理過程轉(zhuǎn)去處理中斷B，處理完中斷B后再繼續(xù)處理中斷A，這個過程稱為中斷嵌套。

中斷嵌套只與搶占優(yōu)先級有關(guān)，搶占優(yōu)先級不同，才能發(fā)生中斷嵌套。

（2）當(dāng)搶占優(yōu)先級相同時，根據(jù)中斷發(fā)生順序執(zhí)行，哪個中斷先發(fā)生，則先執(zhí)行哪個中斷，如果幾個搶占優(yōu)先級相同的中斷同時發(fā)生，則優(yōu)先執(zhí)行響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷。中斷概念5.中斷執(zhí)行順序有三個中斷A、B、C和D，搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級分別為（3,1）、（2,2）、（1,3）和（2,3），則根據(jù)中斷發(fā)生順序有以下幾種執(zhí)行情況：（1）當(dāng)4個中斷同時發(fā)生時，中斷執(zhí)行順序?yàn)镃、B、D、A。（2）執(zhí)行中斷A時，發(fā)生了中斷B，由于中斷B的搶占優(yōu)先級更高，因此可以打斷中斷A，即發(fā)生中斷嵌套。（3）執(zhí)行中斷B時，發(fā)生了中斷D，由于中斷B和中斷D的響應(yīng)優(yōu)先級相同，不會產(chǎn)生嵌套，中斷B執(zhí)行完后，再執(zhí)行中斷D。如果中斷B和中斷D同時發(fā)生，由于中斷B的響應(yīng)優(yōu)先級更高，因此先執(zhí)行中斷B。本節(jié)小結(jié)理解中斷概念；掌握中斷優(yōu)先級分組；理解中斷執(zhí)行順序。EXTI主要特征EXTI內(nèi)部電路4.2STM32外部中斷EXTI應(yīng)用步驟本節(jié)小結(jié)4.2.1EXTI主要特征STM32外部中斷是通常指引腳電平變化引起的中斷，由NVIC和外部中斷事件控制器（EXTI,ExtendedInterruptsandEventsController）控制。EXTI負(fù)責(zé)管理所有的外部中斷和內(nèi)部異步事件，并產(chǎn)生中斷請求。STM32外部中斷的主要特征如下：（1）可產(chǎn)生最多39和事件/中斷請求，包括25個可配置中斷和14個直接中斷；（2）每個事件/中斷具有獨(dú)立的屏蔽控制；（3）可配置中斷包括IO引腳中斷和部分其它外設(shè)中斷，支持上升沿或下降沿觸發(fā)，并且具有專用的狀態(tài)位用于指示中斷源。（4）直接中斷主要是部分外設(shè)產(chǎn)生的喚醒事件，用于喚醒設(shè)備，其狀態(tài)標(biāo)志由相應(yīng)外設(shè)提供。（5）所有中斷可通過軟件進(jìn)行模擬。4.2.2EXTI內(nèi)部電路4.2.2EXTI內(nèi)部電路EXTI之所有能夠?qū)崿F(xiàn)中斷控制，是因?yàn)槠渚哂袊?yán)謹(jǐn)合理的硬件電路，以STM32L4系列為例，其EXTI內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，主要由邊沿檢測電路、下降沿觸發(fā)選擇寄存器、上升沿觸發(fā)選擇寄存器、中斷屏蔽寄存器、掛起請求寄存器等構(gòu)成。下面以GPIO中斷為例講解其工作原理，欲產(chǎn)生GPIO中斷，首先應(yīng)配置下降沿觸發(fā)選擇寄存器或（和）上升沿觸發(fā)選擇寄存器，當(dāng)其相應(yīng)位配置為1時，邊沿檢測電路即可檢測到電平變化；然后配置中斷屏蔽寄存器相應(yīng)位為1，當(dāng)邊沿檢測電路檢測到電平變化時，即可將掛起請求寄存器相應(yīng)位置1，進(jìn)而引發(fā)中斷，CPU響應(yīng)該中斷后即可執(zhí)行響應(yīng)的中斷服務(wù)程序。綜上所述，中斷提供了一個完全由硬件自動完成的程序執(zhí)行通道，不要軟件的參與，降低了CPU的負(fù)荷，提高了響應(yīng)速度，是利用硬件提升MCU處理事件能力的有效方法。4.2.3EXTI應(yīng)用步驟EXTI是最常用的功能之一，主要用于開關(guān)量監(jiān)測，采用STM32CubeIDE進(jìn)行開發(fā)時，EXTI的配置主要包括引腳功能選擇、工作模式詳細(xì)配置、NVIC設(shè)置和中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)四大步驟。1.引腳功能選擇以引腳PC0為例，首先選中PC0，然后設(shè)置其為GPIO_EXTI0。2.工作模式詳細(xì)配置4.2.3EXTI應(yīng)用步驟EXTI是最常用的功能之一，主要用于開關(guān)量監(jiān)測，采用STM32CubeIDE進(jìn)行開發(fā)時，EXTI的配置主要包括引腳功能選擇、工作模式詳細(xì)配置、NVIC設(shè)置和中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)四大步驟。3.NVIC設(shè)置4.中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)voidHAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_tGPIO_Pin){ /*判斷引腳*/ if(GPIO_Pin==User_Label) { /*具體功能實(shí)現(xiàn)*/ }}本節(jié)小結(jié)1.理解EXTI內(nèi)部電路原理；2.掌握EXTI