在開(kāi)始編寫(xiě)代碼之前我們首先需要完成硬件電路的搭建。傳感器控制 LED 的核心思路是通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境變化將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由 STM32 微控制器讀取該信號(hào)并根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯控制 LED 的亮滅狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)我們需要將傳感器的信號(hào)輸出引腳連接到 STM32 的某個(gè) GPIO 輸入端口同時(shí)將 LED 的正極通過(guò)限流電阻連接到另一個(gè) GPIO 輸出端口。這樣當(dāng)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)事件時(shí)STM32 就能通過(guò)讀取輸入引腳的電平狀態(tài)來(lái)決定是否翻轉(zhuǎn)輸出引腳從而控制 LED 的亮滅。上圖展示了完整的電路連接方式。在接線時(shí)需要注意傳感器的供電電壓必須與 STM32 的 GPIO 電平兼容通常為 3.3VLED 的限流電阻一般取 330Ω 到 1kΩ 之間以防止電流過(guò)大燒毀 LED。代碼電路搭建完成后接下來(lái)就是編寫(xiě)控制代碼。在 STM32 的 HAL 庫(kù)開(kāi)發(fā)框架下我們通常使用 CubeMX 進(jìn)行圖形化配置自動(dòng)生成初始化代碼然后在用戶代碼區(qū)編寫(xiě)具體的業(yè)務(wù)邏輯。讀取引腳狀態(tài)輸出引腳狀態(tài)讀取引腳狀態(tài)的核心函數(shù)是HAL_GPIO_ReadPin()它用于讀取指定 GPIO 引腳的電平狀態(tài)返回GPIO_PIN_SET高電平或GPIO_PIN_RESET低電平。而輸出引腳狀態(tài)則使用HAL_GPIO_WritePin()或HAL_GPIO_TogglePin()函數(shù)。下面是一個(gè)典型的讀取與輸出示例// 讀取傳感器引腳狀態(tài) GPIO_PinState sensorState HAL_GPIO_ReadPin(SENSOR_GPIO_Port, SENSOR_Pin); // 根據(jù)傳感器狀態(tài)控制 LED if (sensorState GPIO_PIN_SET) { HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET); // 點(diǎn)亮 LED } else { HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 熄滅 LED }這種輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但 CPU 需要不斷循環(huán)檢測(cè)引腳狀態(tài)效率較低。如果希望提高響應(yīng)速度并降低 CPU 占用可以考慮使用中斷方式也就是接下來(lái)要介紹的內(nèi)容。中斷與 SysTick中斷是嵌入式系統(tǒng)中非常重要的機(jī)制。所謂中斷就是當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生時(shí)CPU 暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)突發(fā)事件處理完成后再回到原來(lái)的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。這樣可以大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。在 STM32 中中斷源非常豐富包括外部中斷EXTI、定時(shí)器中斷、串口中斷等。而 SysTick 定時(shí)器則是 Cortex-M 內(nèi)核自帶的系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器HAL 庫(kù)的延時(shí)函數(shù)HAL_Delay()正是依賴(lài)它來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上圖展示了中斷系統(tǒng)的整體架構(gòu)。可以看到各種外設(shè)事件通過(guò)中斷控制器NVIC統(tǒng)一管理NVIC 負(fù)責(zé)中斷的使能、優(yōu)先級(jí)配置和響應(yīng)調(diào)度。這張圖進(jìn)一步說(shuō)明了中斷觸發(fā)到響應(yīng)處理的完整流程。當(dāng)外設(shè)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求后NVIC 會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定是否立即響應(yīng)如果當(dāng)前沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的中斷正在執(zhí)行CPU 就會(huì)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)ISR中執(zhí)行處理代碼。NVICNVICNested Vectored Interrupt Controller嵌套向量中斷控制器是 Cortex-M 內(nèi)核中負(fù)責(zé)中斷管理的核心模塊。它支持中斷的嵌套處理即高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)函數(shù)。在 HAL 庫(kù)中我們通常使用HAL_NVIC_SetPriority()函數(shù)來(lái)設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)使用HAL_NVIC_EnableIRQ()函數(shù)來(lái)使能中斷。中斷優(yōu)先級(jí)分為搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)兩部分搶占優(yōu)先級(jí)決定中斷是否可以打斷其他中斷而子優(yōu)先級(jí)則用于同搶占優(yōu)先級(jí)下的響應(yīng)順序。上圖是 NVIC 的配置界面。在 CubeMX 中我們可以直觀地為每個(gè)中斷源分配搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)。合理配置中斷優(yōu)先級(jí)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵尤其是當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)優(yōu)先級(jí)決定了它們的處理順序。定時(shí)器配置原理定時(shí)器是 STM32 中非常強(qiáng)大的外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制、波形生成、輸入捕獲等功能。在 HAL 庫(kù)中SysTick 定時(shí)器被用作系統(tǒng)心跳為延時(shí)函數(shù)和超時(shí)檢測(cè)提供時(shí)間基準(zhǔn)。上圖展示了 SysTick 定時(shí)器的基本配置。SysTick 是一個(gè) 24 位的向下遞減計(jì)數(shù)器當(dāng)計(jì)數(shù)值減到 0 時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷然后自動(dòng)重新裝載初值繼續(xù)下一輪計(jì)數(shù)。 這行代碼到底在算什么在 HAL 庫(kù)的初始化代碼中有一行非常關(guān)鍵的配置HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / (1000U / uwTickFreq))它的目標(biāo)很簡(jiǎn)單讓 SysTick 定時(shí)器每 1 毫秒產(chǎn)生一次中斷也就是 HAL 庫(kù)的uwTick變量每 1ms 加 1你調(diào)HAL_Delay()靠的就是它。這行代碼的本質(zhì)是計(jì)算 SysTick 定時(shí)器的重裝載值。SysTick 的時(shí)鐘源通常是系統(tǒng)主時(shí)鐘這里為 72MHz每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器就減 1。要讓計(jì)數(shù)器從初值減到 0 恰好耗時(shí) 1ms就需要計(jì)算出 1ms 內(nèi)有多少個(gè)時(shí)鐘脈沖這個(gè)數(shù)量就是我們要寫(xiě)入的重裝載值。 我們拿實(shí)際數(shù)字來(lái)算一遍假設(shè)你的 STM32F103C8T6 主頻是72 MHz即SystemCoreClock 72,000,000。在 HAL 庫(kù)里uwTickFreq默認(rèn)被定義為1U表示 1ms。那么先算括號(hào)里(1000U / uwTickFreq)1000 / 11000再算除法SystemCoreClock / 100072,000,000 / 100072,000所以這行代碼實(shí)際執(zhí)行的是HAL_SYSTICK_Config(72000);也就是說(shuō)SysTick 定時(shí)器的重裝載值被設(shè)置為 72000。這個(gè)值決定了定時(shí)器從 72000 開(kāi)始向下計(jì)數(shù)減到 0 時(shí)觸發(fā)一次中斷。?? 72,000 這個(gè)數(shù)字是什么意思SysTick 是一個(gè)24 位向下遞減的計(jì)數(shù)器。你把72,000這個(gè)值寫(xiě)進(jìn)去它就會(huì)從 72,000 開(kāi)始每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖72MHz就減 1。減到 0 需要72,000 個(gè)脈沖72,000 個(gè)脈沖 ÷ 72,000,000 個(gè)脈沖/秒 0.001 秒 1 毫秒減到 0 的那一刻它觸發(fā)中斷然后硬件自動(dòng)把 72,000 重新裝進(jìn)去接著再數(shù)一遍。這就實(shí)現(xiàn)了每 1ms 準(zhǔn)時(shí)打斷 CPU 一次的效果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)72,000 這個(gè)數(shù)字就是1 毫秒內(nèi)有多少個(gè)時(shí)鐘脈沖的答案。因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘是 72MHz也就是每秒有 72,000,000 個(gè)脈沖那么 1 毫秒千分之一秒內(nèi)自然就有 72,000 個(gè)脈沖。SysTick 計(jì)數(shù)器從 72,000 開(kāi)始倒數(shù)每收到一個(gè)脈沖減 1減到 0 時(shí)恰好經(jīng)過(guò) 1 毫秒。? 為什么中間要除一個(gè)(1000U / uwTickFreq)這是 HAL 庫(kù)為了兼容性留的一個(gè)口子。如果你想讓心跳變成10ms一次就把uwTickFreq改成10U那么1000 / 10 100最終算出來(lái)就是72,000,000 / 100 720,000即 10ms 才減到 0但因?yàn)榻^大部分時(shí)候我們都是要1ms所以u(píng)wTickFreq就固定等于1U這一坨括號(hào)算出來(lái)永遠(yuǎn)等于1000。這個(gè)設(shè)計(jì)的好處在于當(dāng)開(kāi)發(fā)者需要調(diào)整系統(tǒng)心跳頻率時(shí)只需要修改uwTickFreq這一個(gè)宏定義而不需要去修改底層的 SysTick 配置代碼。HAL 庫(kù)通過(guò)這種參數(shù)化的方式提高了代碼的可移植性和可維護(hù)性。上圖展示了 SysTick 中斷的觸發(fā)流程。當(dāng)計(jì)數(shù)器減到 0 時(shí)硬件自動(dòng)將重裝載值重新裝入計(jì)數(shù)器同時(shí)向 NVIC 發(fā)出中斷請(qǐng)求CPU 響應(yīng)后進(jìn)入 SysTick 中斷服務(wù)函數(shù)。在中斷函數(shù)中寫(xiě)執(zhí)行程序了解了 SysTick 的工作原理后我們就可以在中斷函數(shù)中編寫(xiě)需要周期性執(zhí)行的任務(wù)了。SysTick 的中斷服務(wù)函數(shù)是SysTick_Handler()在 HAL 庫(kù)中它默認(rèn)會(huì)調(diào)用HAL_IncTick()來(lái)更新系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)。每執(zhí)行一次中斷函數(shù)時(shí)經(jīng)過(guò)一毫秒每次給 static 變量 count 自加 1當(dāng) count 等于 500 時(shí)使用HAL_GPIO_TogglePin翻轉(zhuǎn)電平。這樣LED 就會(huì)以 500ms 為周期進(jìn)行翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閃爍效果。具體代碼如下void SysTick_Handler(void) { HAL_IncTick(); static uint16_t count 0; count; if (count 500) { count 0; HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin); } }這段代碼的邏輯非常清晰每次 SysTick 中斷每 1ms進(jìn)入一次count 自加 1當(dāng) count 累加到 500 時(shí)說(shuō)明已經(jīng)過(guò)去了 500ms此時(shí)翻轉(zhuǎn) LED 的電平狀態(tài)并將 count 清零重新計(jì)數(shù)。這樣 LED 就會(huì)以 1Hz 的頻率閃爍亮 500ms滅 500ms。最終上圖是最終的運(yùn)行效果?？梢钥吹絃ED 按照預(yù)期的頻率進(jìn)行閃爍說(shuō)明中斷配置和代碼邏輯都正確無(wú)誤。外部中斷除了定時(shí)器中斷外部中斷EXTI也是嵌入式開(kāi)發(fā)中非常常用的中斷類(lèi)型。外部中斷允許 GPIO 引腳在檢測(cè)到電平變化上升沿、下降沿或雙邊沿時(shí)觸發(fā)中斷非常適合用于按鍵檢測(cè)、傳感器信號(hào)觸發(fā)等場(chǎng)景。上圖展示了外部中斷的配置界面。在 CubeMX 中我們可以為每個(gè) GPIO 引腳單獨(dú)配置外部中斷模式并選擇觸發(fā)方式上升沿、下降沿或雙邊沿觸發(fā)。與輪詢(xún)方式相比外部中斷的最大優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性和效率。CPU 不需要持續(xù)檢測(cè)引腳狀態(tài)只有當(dāng)引腳電平發(fā)生變化時(shí)才會(huì)被中斷喚醒從而大大降低了 CPU 的占用率。中斷優(yōu)先級(jí)當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)中斷源時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)的配置就顯得尤為重要。STM32 的中斷優(yōu)先級(jí)分為搶占優(yōu)先級(jí)Preemption Priority和子優(yōu)先級(jí)Sub Priority兩部分。搶占優(yōu)先級(jí)決定了中斷是否可以打斷正在執(zhí)行的其他中斷。如果兩個(gè)中斷的搶占優(yōu)先級(jí)相同則它們之間不能互相打斷只能按照子優(yōu)先級(jí)的高低依次響應(yīng)。如果搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)都相同則按照中斷號(hào)的大小決定響應(yīng)順序。上圖展示了中斷優(yōu)先級(jí)的配置方法。在 CubeMX 中我們可以為每個(gè)中斷源分別設(shè)置搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)。數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。合理配置優(yōu)先級(jí)可以確保關(guān)鍵任務(wù)如緊急故障處理能夠及時(shí)響應(yīng)而不被次要中斷阻塞。外部中斷/事件控制器原理圖外部中斷/事件控制器EXTI的原理圖如下所示。它負(fù)責(zé)將 GPIO 引腳的電平變化轉(zhuǎn)換為中斷請(qǐng)求信號(hào)并傳遞給 NVIC 進(jìn)行處理。從原理圖中可以看到EXTI 支持兩種輸出模式中斷模式和事件模式。中斷模式會(huì)觸發(fā) CPU 執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)而事件模式則可以直接觸發(fā)其他外設(shè)的動(dòng)作如 DMA 傳輸不需要 CPU 參與。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中我們最常用的是中斷模式。回調(diào)函數(shù)在 HAL 庫(kù)的中斷處理機(jī)制中回調(diào)函數(shù)Callback Function扮演著非常重要的角色。HAL 庫(kù)將中斷處理分為兩個(gè)層次底層的中斷服務(wù)函數(shù)ISR和上層的回調(diào)函數(shù)。底層 ISR 負(fù)責(zé)處理硬件相關(guān)的操作如清除中斷標(biāo)志位等而回調(diào)函數(shù)則是 HAL 庫(kù)留給用戶的鉤子用戶可以在回調(diào)函數(shù)中編寫(xiě)自己的業(yè)務(wù)邏輯而不需要修改 HAL 庫(kù)的底層代碼。上圖展示了 HAL 庫(kù)中斷處理的整體流程。當(dāng)外部中斷觸發(fā)時(shí)CPU 跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的 ISRISR 完成硬件處理后調(diào)用回調(diào)函數(shù)用戶編寫(xiě)的業(yè)務(wù)邏輯就在回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行。MX 配置 GPIO 端口初始化端口記錄上升沿或下降沿在使用外部中斷之前我們需要先在 CubeMX 中完成 GPIO 的初始化配置。配置內(nèi)容包括引腳模式輸入/輸出、上下拉電阻、觸發(fā)方式上升沿/下降沿/雙邊沿等。上圖展示了 GPIO 外部中斷的配置界面。在配置時(shí)我們需要將引腳模式設(shè)置為External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection下降沿觸發(fā)或Rising edge上升沿觸發(fā)具體取決于傳感器的輸出特性。找到端點(diǎn)專(zhuān)屬中斷函數(shù)配置完成后CubeMX 會(huì)自動(dòng)生成中斷服務(wù)函數(shù)的框架。對(duì)于外部中斷每個(gè)引腳組如 PA0-PA15都有對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)例如EXTI0_IRQHandler()對(duì)應(yīng) PA0 引腳的中斷。上圖展示了中斷服務(wù)函數(shù)的位置。在生成的代碼中HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()函數(shù)負(fù)責(zé)處理中斷標(biāo)志位的清除并調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。找到回調(diào)函數(shù)弱函數(shù)HAL 庫(kù)為每個(gè)外設(shè)都提供了默認(rèn)的回調(diào)函數(shù)這些函數(shù)被定義為弱函數(shù)Weak Function意味著用戶可以重新定義同名的函數(shù)來(lái)覆蓋默認(rèn)實(shí)現(xiàn)而不需要修改 HAL 庫(kù)的源代碼。上圖展示了回調(diào)函數(shù)的默認(rèn)定義。對(duì)于外部中斷對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)是HAL_GPIO_EXTI_Callback()它接收一個(gè)參數(shù)GPIO_Pin用于指示具體是哪個(gè)引腳觸發(fā)了中斷。自己寫(xiě)入最后我們需要在用戶代碼區(qū)重新實(shí)現(xiàn)這個(gè)回調(diào)函數(shù)編寫(xiě)自己的業(yè)務(wù)邏輯。例如void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if (GPIO_Pin SENSOR_Pin) { // 傳感器觸發(fā)翻轉(zhuǎn) LED 狀態(tài) HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin); } }這樣當(dāng)傳感器引腳檢測(cè)到設(shè)定的邊沿觸發(fā)時(shí)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入回調(diào)函數(shù)執(zhí)行 LED 翻轉(zhuǎn)操作。整個(gè)過(guò)程不需要 CPU 輪詢(xún)實(shí)現(xiàn)了高效的事件驅(qū)動(dòng)處理。