Прерывания: NVIC, EXTI и приём USART

Что нужно, чтобы прерывание сработало

Цепочка всегда одна и та же:

1. Источник в периферии ставит флаг и, если его прерывание разрешено битом в регистре периферии, выставляет запрос.
2. NVIC пропускает запрос, если этот канал разрешён (регистры NVIC_ISER с адреса 0xE000E100) и его приоритет выше текущего.
3. Ядро берёт адрес обработчика из таблицы векторов — нашей структуры из урока 2, — сохраняет регистры и вызывает функцию.
4. Обработчик сбрасывает флаг источника и делает минимум работы.

Пропуск любого шага даёт одну из двух классических ошибок: прерывание не приходит вовсе (не разрешено в периферии или в NVIC, имя обработчика с опечаткой) или приходит бесконечно (флаг не сброшен). Второе объясняет раздел 4.2.9 DUI 0552A: при входе в обработчик ядро снимает с прерывания состояние «ожидает», но если сигнал запроса от периферии не снят к моменту возврата, прерывание снова становится ожидающим и обработчик вызывается опять.

NVIC: разрешение и приоритеты

Функции CMSIS из core_cm3.h делают всё нужное одной строкой. NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn) записывает единицу в бит 37 mod 32 = 5 регистра ISER[1]: на каждые 32 прерывания — один регистр. NVIC_SetPriority(IRQn, p) записывает байт приоритета в NVIC_IPR (с адреса 0xE000E400), сдвинув число на 4 бита влево: поле приоритета 8-битное, а у STM32F1 реализованы только 4 старших бита, младшие читаются как ноль (DUI 0552A, разд. 4.2.7). Поэтому в функцию передают 0–15, и меньшее число — более срочное прерывание: обработчик с приоритетом 1 может прервать обработчик с приоритетом 2, но не наоборот.

Номера IRQn и имена обработчиков должны совпадать с таблицей векторов: EXTI15_10_IRQn = 40, USART1_IRQn = 37 в stm32f103xb.h — это позиции 40 и 37 таблицы 63 RM0008. Как 4 бита делятся между группой и подприоритетом и что означает поле PRIGROUP, покажет калькулятор приоритетов NVIC.

EXTI: прерывание от вывода

Контроллер внешних прерываний EXTI у STM32F103 средней плотности имеет 19 линий (разд. 10.2, с. 207). Линии 0–15 подключены к выводам, остальные — к PVD, будильнику RTC и выходу USB из сна. Подключение к выводам устроено как мультиплексор: линия n — это вывод с номером n одного из портов, а какого именно, выбирают поля EXTIn[3:0] регистров AFIO_EXTICR1–AFIO_EXTICR4 (разд. 10.2.5, с. 209–210): 0000 — порт A, 0001 — порт B и так далее. Отсюда главное ограничение: PA12 и PB12 одновременно на прерывания не повесить.

Регистры AFIO доступны, только если включено тактирование AFIO битом AFIOEN в RCC_APB2ENR (разд. 9.4, с. 183) — без него запись в AFIO_EXTICR4 молча пропадёт, и прерывание придёт не от того порта. Вывод при этом должен быть настроен входом (разд. 9.1.3).

Дальше всё по разделу 10.2.4: биты EXTI_RTSR и EXTI_FTSR выбирают нарастающий и спадающий фронт (можно оба), бит EXTI_IMR снимает маску прерывания. Пришедший фронт ставит бит в EXTI_PR, и он держит запрос к NVIC, пока программа его не сбросит — записью единицы (разд. 10.3.6, с. 213). Запись нуля ничего не делает, а EXTI->PR |= … сбросит заодно и другие ожидающие линии, поэтому пишут ровно один бит: EXTI->PR = EXTI_PR_PR12;.

Линии 0–4 имеют свои обработчики EXTI0_IRQHandler…EXTI4_IRQHandler, линии 5–9 делят EXTI9_5_IRQHandler, линии 10–15 — EXTI15_10_IRQHandler. В общем обработчике линии различают по битам EXTI_PR.

Дребезг кнопки

Механический контакт при нажатии и отпускании несколько миллисекунд замыкается и размыкается, и каждый такой отскок — новый фронт и новое прерывание. Как выглядит дребезг и какие бывают способы с ним бороться, разобрано в уроке «Кнопки, подтяжка и дребезг» трека AVR и в статье глоссария «Дребезг контактов». Читать вывод прямо в обработчике бесполезно: обработчик срабатывает через доли микросекунды после фронта, когда контакт ещё прыгает, и уровень на выводе в этот момент случаен. Поэтому разделим работу. Прерывание по обоим фронтам только запоминает время последнего фронта. Основная программа, которую SysTick будит каждую миллисекунду, читает вывод, лишь когда фронтов не было 30 мс, — к этому времени уровень устоялся, — и сравнивает его с последним устойчивым состоянием кнопки: переход из «отпущена» в «нажата» и есть нажатие. Порог 30 мс — наш выбор с запасом, а не число из документации.

Приём USART1 в прерывании

Бит RXNEIE регистра USART1->CR1 разрешает прерывание USART1 по флагу RXNE. По разделу 27.6.1 RM0008 то же прерывание вызывает и ORE — переполнение приёмника, — поэтому обработчик реагирует на оба флага. Чтение SR, а затем DR сбрасывает RXNE и ORE одновременно. Обработчик кладёт байт в кольцевой буфер, а разбирает байты основная программа. У буфера один писатель — прерывание, которое меняет только rx_head, — и один читатель — main, которая меняет только rx_tail, поэтому запрещать прерывания при чтении не нужно. Размер — степень двойки, чтобы переход через конец массива делался маской. Почему такой буфер безопасен и как сделать его на передачу, подробно рассказано в статье «Кольцевые буферы для UART».

Программа

Кнопка — между PB12 и GND, светодиод — на PC13, преобразователь USB-UART — как в уроке 5. В Makefile ничего не меняется: SRCS = startup.c main.c clock.c uart.c.

/* main.c, lesson 6: button on PB12 via EXTI12, USART1 receive interrupt */
#include "stm32f1xx.h"
#include "clock.h"
#include "uart.h"

/* ---- button: EXTI line 12, both edges; the handler only stamps the time ---- */
static volatile uint32_t last_edge_ms;      /* written only by the handler */

void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR12) {
        EXTI->PR = EXTI_PR_PR12;            /* write 1 to clear, first thing */
        last_edge_ms = g_ticks;             /* the contact may still bounce */
    }
}

/* ---- USART1 receive: the interrupt fills a ring buffer ---- */
#define RX_SIZE 64u                         /* power of two */
static volatile uint8_t  rx_buf[RX_SIZE];
static volatile uint32_t rx_head;           /* written only by the handler */
static volatile uint32_t rx_tail;           /* written only by main() */

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint32_t sr = USART1->SR;
    if (sr & (USART_SR_RXNE | USART_SR_ORE)) {
        uint8_t byte = (uint8_t)USART1->DR; /* SR then DR: clears RXNE and ORE */
        uint32_t next = (rx_head + 1u) & (RX_SIZE - 1u);
        if (next != rx_tail) {              /* full: drop the byte */
            rx_buf[rx_head] = byte;
            rx_head = next;
        }
    }
}

static int rx_get(void)
{
    if (rx_tail == rx_head)
        return -1;
    int c = rx_buf[rx_tail];
    rx_tail = (rx_tail + 1u) & (RX_SIZE - 1u);
    return c;
}

int main(void)
{
    uint32_t hclk = clock_init();
    systick_init(hclk);
    uart1_init(hclk, 115200u);

    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN | RCC_APB2ENR_IOPCEN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;

    /* PC13: LED, push-pull, 2 MHz, off */
    GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13))
               | (0x2u << GPIO_CRH_MODE13_Pos);
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;

    /* PB12: input with pull-up, the button shorts it to GND */
    GPIOB->CRH = (GPIOB->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE12 | GPIO_CRH_CNF12))
               | (0x2u << GPIO_CRH_CNF12_Pos);
    GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS12;

    /* EXTI12 <- port B, both edges, unmasked */
    AFIO->EXTICR[3] = (AFIO->EXTICR[3] & ~AFIO_EXTICR4_EXTI12) | AFIO_EXTICR4_EXTI12_PB;
    EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR12;
    EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR12;
    EXTI->PR = EXTI_PR_PR12;                /* drop a request left from setup */
    EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR12;

    USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;

    NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 1u);      /* bytes cannot wait */
    NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 2u);
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

    uint32_t presses = 0;
    int pressed = 0;                        /* debounced state of the button */
    for (;;) {
        int c;
        while ((c = rx_get()) >= 0) {
            if (c == 't') {                 /* 't' toggles the LED */
                if (GPIOC->ODR & GPIO_ODR_ODR13)
                    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
                else
                    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
            }
            uart1_putc((char)c);            /* echo */
        }
        /* Read the pin only after 30 ms without edges: the level has settled */
        if ((uint32_t)(g_ticks - last_edge_ms) >= 30u) {
            int low = !(GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR12);
            if (low && !pressed) {          /* released -> pressed */
                presses++;
                uart1_puts("presses: ");
                uart1_put_uint(presses);
                uart1_puts("\n");
            }
            pressed = low;
        }
        __WFI();                            /* sleep until the next interrupt */
    }
}

EXTI->PR сбрасывается перед EXTI->IMR: пока настраивались фронты, линия могла поймать фронт, а NVIC по разд. 4.2.10 DUI 0552A запоминает запрос и для ещё запрещённого прерывания. Порядок приоритетов выбран так: USART1 (1) прерывает обработчик кнопки (2), а оба прерывают SysTick (15 из урока 4). Переменные g_ticks и last_edge_ms — по одному 32-битному слову, и основная программа читает каждую одной командой, поэтому запрещать прерывания вокруг сравнения не нужно. Если фронт придёт между сравнением и чтением вывода, программа прочитает уровень в начале дребезга, но это реальный переход кнопки: в худшем случае он будет засчитан через следующие 30 мс тишины, а не сразу.

Команда __WFI() останавливает ядро до следующего прерывания. SysTick будит его каждую миллисекунду, так что даже если байт пришёл между проверкой буфера и __WFI(), он будет обработан не позже чем через 1 мс (расчёт наш). Как избежать и этой задержки и что такое критическая секция, объясняет статья «Прерывания и общие данные».

На STM32F4

NVIC и функции CMSIS у Cortex-M4 те же, и у STM32F411 номера нужных прерываний совпадают с F1: USART1_IRQn = 37, EXTI15_10_IRQn = 40. Отличается выбор порта для линии EXTI: у F4 нет блока AFIO, вместо него регистры SYSCFG_EXTICR1–SYSCFG_EXTICR4 с теми же кодами портов (RM0090, разд. 9.2.3; в заголовке F411 — SYSCFG->EXTICR[3] и SYSCFG_EXTICR4_EXTI12_PB). Тактирование SYSCFG включает бит RCC_APB2ENR_SYSCFGEN. Подтяжку у F4 задаёт регистр PUPDR, а не бит ODR.

Задание

1. Что изменится, если в обработчике кнопки сбрасывать флаг строкой EXTI->PR &= ~EXTI_PR_PR12;?
2. Добавьте вторую кнопку на PB13 так, чтобы она уменьшала счётчик. Что нужно изменить в настройке и в обработчике?

Что дальше

В уроке 7 таймер TIM2 будет вызывать прерывание по переполнению, а TIM3 — выдавать ШИМ на светодиод без участия ядра. Таблица прерываний STM32F1 и F4, приоритеты и типичные ошибки — в статье «Прерывания STM32: NVIC, EXTI», регистры EXTI и AFIO — на страницах атласа регистров EXTI STM32F1 и регистров AFIO STM32F1. Термины урока — в статьях глоссария NVIC, EXTI, «Кольцевой буфер» и «Задержка прерывания».