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32单片机从入门到精通之软件编程——中断处理(九)

article 2025/1/7 5:02:23

永远不要放弃追逐你的梦想，即使道路坎坷险阻。不要让任何人或任何事物阻止你前进。相信自己的能力，坚持努力奋斗，你一定能够实现自己的目标。在困难面前，不要气馁，而是要保持积极乐观的心态，勇敢地面对挑战。坚信每一次失败都是一次宝贵的经验，每一次挫折都是一次锻炼。每一步都是通向成功的里程碑，每一次努力都是自我成长的过程。向前冲吧，不论风雨还是阳光，只要你保持热情和毅力，你一定会看到成功的曙光。相信自己，你就能做到！

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

二、简答题（每题10分，共30分）

三、编程题（每题20分，共40分）

四、分析题（每题15分，共30分）

五、应用设计题（每题15分，共15分）

中断处理：配置NVIC与编写中断服务例程（ISR）

1. 配置NVIC

步骤1：使用STM32CubeMX配置NVIC

步骤2：手动配置NVIC（如果需要更细粒度控制）

2. 编写中断服务例程（ISR）

3. 详细讲解知识点和代码案例

配置NVIC (MX_NVIC_Init())

编写中断服务例程 (TIM2_IRQHandler())

启动定时器中断 (HAL_TIM_Base_Start_IT())

主函数 (main())

4. 代码注释解释

试卷

一、选择题（每题2分，共10分）

二、简答题（每题10分，共30分）

三、编程题（每题20分，共40分）

四、分析题（每题15分，共30分）

五、应用设计题（每题15分，共15分）

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

下列哪一项不是ST-Link的主要用途？
- A) 在线调试
- B) 烧录程序
- C) 直接访问硬件寄存器
- D) USB转串口适配 正确答案：C) 直接访问硬件寄存器
关于ST-Link V3相比V2的优势，以下说法正确的是：
- A) 更低的数据传输速率
- B) 减少I/O引脚数量
- C) 支持更少类型的内核
- D) 增强了调试能力 正确答案：D) 增强了调试能力
SWD接口相比于JTAG接口的主要优点是什么？
- A) 需要更多信号线
- B) 占用较少引脚资源
- C) 不适用于ARM Cortex-M内核MCU
- D) 功能更加全面 正确答案：B) 占用较少引脚资源
如果需要同时调试多个核心或设备链路，应该优先选择哪种接口？
- A) SWD
- B) JTAG
- C) UART
- D) SPI 正确答案：B) JTAG
在STM32CubeMX中生成初始化代码时，默认使用的库是哪一个？
- A) LL库
- B) HAL库
- C) Standard Peripheral Library
- D) 自定义库 正确答案：B) HAL库

二、简答题（每题10分，共30分）

解释为什么对于大多数STM32应用来说，ST-Link V3搭配SWD接口是一个理想的选择，并列出至少两个理由。

对于大多数STM32应用而言，ST-Link V3搭配SWD接口是理想选择的理由包括：
- 更高的数据传输速率：ST-Link V3提供了更快的传输速度，提高了调试效率，尤其是在处理大数据量或频繁读写内存的情况下。
- 节省引脚资源：SWD接口仅需两根信号线（SWCLK和SWDIO），减少了对微控制器引脚的需求，这对于小型封装或资源受限的应用尤为重要。
描述如何在STM32CubeMX中配置项目以确保使用SWD接口进行调试。

要确保在STM32CubeMX中使用SWD接口进行调试，可以按照以下步骤操作：
- 打开“Pinout & Configuration”标签页。
- 在左侧找到并点击“Project Manager”。
- 在“Settings”选项卡下，找到“Debug”设置。
- 将“Interface”选项设置为“SWD”。
- 完成其他必要的外设配置后，点击“GENERATE CODE”按钮生成代码。
举例说明一个场景，在这个场景中你会选择JTAG而不是SWD接口来进行调试，并解释原因。

如果是在一个多核处理器或多设备链路上工作，比如开发一款复杂的嵌入式系统，其中包含多个STM32芯片或其它支持JTAG的器件，那么我会选择JTAG接口。因为JTAG可以在一条链路上连接多个器件，允许同时调试多个核心或设备，这是SWD接口所不具备的功能。

三、编程题（每题20分，共40分）

编写一段C代码，使用HAL库配置并启动一个定时器，使其每隔1秒触发一次中断。请包括必要的初始化步骤，并添加适当的注释。

#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;

// 初始化系统时钟
void SystemClock_Config(void);

// GPIO初始化函数
static void MX_GPIO_Init(void);

// 定时器初始化函数
static void MX_TIM2_Init(void);

// 中断服务例程 (ISR)
void TIM2_IRQHandler(void);

int main(void)
{
    // 初始化HAL库
    HAL_Init();

    // 配置系统时钟
    SystemClock_Config();

    // 初始化GPIO和其他外设
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();

    // 启用NVIC中的TIM2中断
    MX_NVIC_Init();

    // 开启定时器更新中断
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

    // 主循环等待中断发生
    while (1) {}
}

// 配置NVIC
void MX_NVIC_Init(void)
{
    // 设置TIM2中断优先级为主优先级5，子优先级0
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 5, 0);
    
    // 启用TIM2中断
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}

// 定时器初始化函数
static void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    // 配置定时器实例
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 8399; // 假设系统时钟为84MHz，设置预分频值为8400-1
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 9999; // 每10000个计数周期溢出，即1秒
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;

    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

// 中断服务例程 (ISR)
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 确保这是正确的中断源，并且确实发生了更新中断
    if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET &&
        __HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&htim2, TIM_IT_UPDATE) != RESET)
    {
        // 清除更新中断标志，防止重复触发
        __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim2, TIM_IT_UPDATE);

        // 响应中断事件的代码
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); // 切换LED状态
    }
}

// 错误处理函数
void Error_Handler(void)
{
    while (1)
    {
        // 进入死循环
    }
}

编写一段C代码，使用LL库实现GPIO引脚的配置为推挽输出模式，并使LED连接到该引脚上闪烁。要求代码适用于STM32系列微控制器，并附上详细注释。

#include "stm32f4xx_ll_bus.h"
#include "stm32f4xx_ll_gpio.h"
#include "stm32f4xx_ll_rcc.h"
#include "stm32f4xx_ll_system.h"
#include "stm32f4xx_ll_utils.h"

// 初始化系统时钟
void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{
    // 初始化系统时钟
    SystemClock_Config();

    // 启用GPIOA时钟
    LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_GPIOA);

    // 配置PA5引脚为推挽输出模式
    LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);
    LL_GPIO_SetPinSpeed(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_SPEED_FREQ_LOW);
    LL_GPIO_SetPinOutputType(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_OUTPUT_PUSHPULL);
    LL_GPIO_SetPinPull(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_PULL_NO);

    // LED闪烁主循环
    while (1)
    {
        // 切换LED状态
        LL_GPIO_TogglePin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5);

        // 延迟500ms
        LL_mDelay(500);
    }
}

// 初始化系统时钟（具体配置根据您的需求调整）
void SystemClock_Config(void)
{
    // 此处省略具体时钟配置代码，因为这取决于具体的STM32型号和需求
}

四、分析题（每题15分，共30分）

比较JTAG和SWD接口在实际应用中的优缺点，并说明在什么情况下应该选择其中一个而不是另一个。

JTAG的优点：
- 支持多设备链路调试，适合复杂系统或多个核心的调试。
- 提供更多的功能，如边界扫描测试等。
JTAG的缺点：
- 需要更多的引脚资源（通常为4或5个信号线）。
- 硬件成本较高，且布线复杂度增加。
SWD的优点：
- 只需两根信号线（SWCLK和SWDIO），节省引脚资源。
- 简化了PCB布局设计，降低了硬件成本。
SWD的缺点：
- 不支持多设备链路调试。
- 功能相对JTAG较少。
选择建议：
- 如果您的应用场景较为简单，或者您希望减少引脚占用，那么SWD接口将是更好的选择。
- 如果您正在开发一个多核或需要同时调试多个设备的系统，则应考虑使用JTAG接口。

深入探讨在项目初期选择ST-Link V2还是V3时应考虑的因素，并给出针对不同项目类型的推荐。

在项目初期选择ST-Link V2还是V3时，应考虑以下几个因素：

性能需求：如果您需要更高的数据传输速率和更低的延迟，那么ST-Link V3是更好的选择。
成本控制：如果预算有限，而性能需求不高，可以选择ST-Link V2。
未来扩展性：如果您预计未来可能会有更复杂的需求，例如支持更多类型的内核或额外的功能，那么ST-Link V3将提供更大的灵活性。
团队技能水平：对于新手开发者来说，ST-Link V2可能更容易上手；但对于有经验的开发者，ST-Link V3提供了更多的可能性。

五、应用设计题（每题15分，共15分）

设计一个简单的温度监控系统，该系统使用STM32微控制器、温度传感器以及LCD显示器。请详细描述你将如何根据系统的性能需求选择合适的调试接口（JTAG或SWD），并说明选择的理由。此外，请概述如何利用所选接口的功能来优化开发流程和系统性能。

设计思路：

硬件选择：选用带有ADC模块的STM32微控制器来读取温度传感器的模拟信号，并通过SPI/I2C接口连接LCD显示器显示测量结果。
软件架构：
- 库的选择：考虑到这是一个相对简单的应用，且需要快速开发和良好的用户体验，我们选择了HAL库。这是因为HAL库提供了易于使用的API，可以大大缩短开发时间，同时也保证了足够的性能来满足日常监控的需求。
- 初始化配置：使用STM32CubeMX工具生成初始化代码，自动配置时钟、ADC、SPI/I2C等外设。
- 数据采集与处理：利用HAL库提供的ADC驱动程序定期采样温度传感器的数据，并通过SPI/I2C库发送给LCD显示器。
- 用户界面：编写简单的菜单系统供用户查看当前温度值或其他相关信息。
- 优化措施：
  - 使用DMA传输方式来提高ADC采样的速度和稳定性。
  - 如果LCD支持，采用双缓冲技术来减少屏幕刷新时的闪烁现象。
  - 实现低功耗模式，在没有新的传感器数据到来之前让MCU进入休眠状态以节省电量。

调试接口选择：

选择理由：对于这样一个相对简单的单片机应用，SWD接口是理想的选择。它只需两根信号线，减少了引脚占用，并且在大多数情况下性能已经足够。除非未来计划扩展到多核或多设备链路调试，否则SWD接口能够满足所有调试需求。
优化开发流程：
- 简化硬件设计：由于只需要两根信号线，PCB布局更加简单，降低了制造成本。
- 加快调试速度：ST-Link V3搭配SWD接口提供了较快的数据传输速率，使得调试过程更为流畅。
- 便于故障排除：通过SWD接口可以直接访问内部状态信息，帮助快速定位问题。

综上所述，通过对调试接口的合理选择，不仅可以加速开发进度，还能保持较高的代码可读性和维护性，从而有效提升系统的整体性能。

中断处理：配置NVIC与编写中断服务例程（ISR）

在STM32微控制器中，中断处理是通过嵌套向量中断控制器（NVIC）来实现的。NVIC允许您配置每个中断的优先级和子优先级，并定义相应的中断服务例程（ISR）。以下是详细的步骤说明、代码示例及注释，帮助您配置NVIC并编写ISR。

1. 配置NVIC

步骤1：使用STM32CubeMX配置NVIC

打开STM32CubeMX。
在“Pinout & Configuration”标签页中，找到需要启用中断的外设（例如定时器TIM2、外部中断线等）。
在对应的外设配置窗口中，勾选“Enable Interrupt”选项以启用该外设的中断功能。
如果需要，可以在“NVIC Settings”中调整中断优先级和子优先级。

步骤2：手动配置NVIC（如果需要更细粒度控制）

如果您需要更细粒度地控制NVIC设置，可以手动编写代码进行配置。以下是一个简单的例子，展示了如何配置定时器TIM2的中断优先级：

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 初始化NVIC函数
void MX_NVIC_Init(void)
{
    // 配置TIM2中断优先级
    // 主优先级为5，子优先级为0
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 5, 0);
    
    // 启用TIM2中断
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}

HAL_NVIC_SetPriority() 函数用于设置中断的主优先级和子优先级。STM32的优先级分为两部分：主优先级（Preemption Priority）和子优先级（Subpriority）。主优先级决定了哪个中断可以抢占另一个正在执行的中断；子优先级则用于确定当两个中断具有相同主优先级时谁先被处理。
HAL_NVIC_EnableIRQ() 函数用于启用特定的中断源。这一步骤告诉NVIC开始监听指定的中断事件。

2. 编写中断服务例程（ISR）

为了响应中断事件，您需要定义相应的中断服务例程（ISR）。这些函数通常由编译器自动生成，但您可以根据需要修改它们。下面是一个定时器TIM2中断服务例程的例子：

// 定义LED引脚
#define LED_PIN GPIO_PIN_12
#define LED_GPIO_PORT GPIOD

// 定时器句柄声明
extern TIM_HandleTypeDef htim2;

// 中断服务例程（ISR）：定时器TIM2更新中断
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 确保这是正确的中断源，并且确实发生了更新中断
    if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET &&
        __HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&htim2, TIM_IT_UPDATE) != RESET)
    {
        // 清除更新中断标志，防止重复触发
        __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim2, TIM_IT_UPDATE);

        // 响应中断事件的代码
        // 这里我们切换LED状态
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_PORT, LED_PIN); // 切换LED状态
    }
}

// 主函数入口
int main(void)
{
    // 初始化HAL库，准备使用HAL库中的API
    HAL_Init();
    
    // 配置系统时钟，确保MCU运行在正确的频率下
    SystemClock_Config();
    
    // 初始化所有已配置的外设，包括GPIO、定时器等
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();
    MX_NVIC_Init(); // 初始化NVIC
    
    // 开启定时器更新中断
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

    // 主循环等待中断发生
    while (1) {}
}

// 定时器初始化函数（详细内容由STM32CubeMX生成）
static void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    // 初始化定时器实例
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 8399; // 设置预分频值，假设系统时钟为84MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 9999; // 每10000个计数周期溢出，即1秒
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;

    // 初始化定时器
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 配置定时器时钟源
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 配置定时器主模式配置
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

// 错误处理函数
void Error_Handler(void)
{
    // 错误处理逻辑
    while (1)
    {
        // 进入死循环
    }
}

3. 详细讲解知识点和代码案例

配置NVIC (`MX_NVIC_Init()`)

HAL_NVIC_SetPriority():
- 设置中断的主优先级和子优先级。STM32的优先级分为两部分：主优先级（Preemption Priority）和子优先级（Subpriority）。主优先级决定了哪个中断可以抢占另一个正在执行的中断；子优先级则用于确定当两个中断具有相同主优先级时谁先被处理。
HAL_NVIC_EnableIRQ():
- 启用特定的中断源。这一步骤告诉NVIC开始监听指定的中断事件。

编写中断服务例程 (`TIM2_IRQHandler()`)

检查中断源:
- 使用__HAL_TIM_GET_FLAG() 和 __HAL_TIM_GET_IT_SOURCE() 来确认是否确实是定时器更新中断。
清除中断标志:
- 使用__HAL_TIM_CLEAR_IT()清除中断标志位，防止重复触发。
响应中断事件:
- 在此例程中，我们切换LED的状态，以实现LED闪烁的效果。

启动定时器中断 (`HAL_TIM_Base_Start_IT()`)

启动定时器并开启其更新中断:
- 每当定时器计数达到设定的最大值（Period）时，就会触发一次中断。

主函数 (`main()`)

初始化HAL库 (HAL_Init())
- 初始化HAL库，设置全局变量并准备使用HAL库中的API。
配置系统时钟 (SystemClock_Config())
- 配置系统的时钟树，确保微控制器以正确的工作频率运行。
初始化外设 (MX_GPIO_Init(), MX_TIM2_Init(), MX_NVIC_Init())
- 初始化所有已配置的外设，包括GPIO、定时器等。
启动定时器中断 (HAL_TIM_Base_Start_IT())
- 开启定时器更新中断。
主循环 (while (1))
- 主循环等待中断发生。

4. 代码注释解释

#define LED_PIN GPIO_PIN_12 和 #define LED_GPIO_PORT GPIOD:
- 定义了LED连接的GPIO引脚和端口。
extern TIM_HandleTypeDef htim2;:
- 声明定时器句柄，以便在ISR中使用。
HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 5, 0); 和 HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);:
- 分别设置TIM2中断的优先级和启用TIM2中断。
if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET && __HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&htim2, TIM_IT_UPDATE) != RESET):
- 检查是否确实发生了定时器更新中断。
__HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim2, TIM_IT_UPDATE);:
- 清除定时器更新中断标志，防止重复触发。
HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_PORT, LED_PIN);:
- 切换LED的状态，即开/关LED。
HAL_Init();:
- 初始化HAL库，准备使用HAL库中的API。
SystemClock_Config();:
- 配置系统的时钟树，确保微控制器以正确的工作频率运行。
MX_GPIO_Init();:
- 初始化GPIO引脚。
MX_TIM2_Init();:
- 初始化定时器TIM2。
MX_NVIC_Init();:
- 初始化NVIC。
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);:
- 开启定时器更新中断。
while (1) {}:
- 主循环等待中断发生。

通过上述步骤，您可以配置NVIC并编写有效的中断服务例程，从而实现对各种事件的快速响应。这种方法不仅提高了程序的实时性，还简化了复杂任务的管理。

试卷

一、选择题（每题2分，共10分）

关于STM32的嵌套向量中断控制器(NVIC)，下列哪项描述是正确的？
- A) NVIC仅支持单一优先级设置。
- B) NVIC允许配置每个中断的主优先级和子优先级。
- C) NVIC不能用于配置外部中断线。
- D) NVIC只能通过手动编程配置，无法通过STM32CubeMX配置。
以下哪个函数用于设置STM32的中断优先级？
- A) HAL_NVIC_SetPriority()
- B) HAL_NVIC_EnableIRQ()
- C) __HAL_TIM_GET_FLAG()
- D) HAL_GPIO_TogglePin()
在STM32中，使用SWD接口相比于JTAG接口的主要优点是什么？
- A) SWD接口需要更多的信号线。
- B) SWD接口占用较少引脚资源。
- C) SWD接口不适用于ARM Cortex-M内核MCU。
- D) SWD接口功能更加全面。
如果需要同时调试多个核心或设备链路，应该优先选择哪种接口？
- A) SWD
- B) JTAG
- C) UART
- D) SPI
在STM32CubeMX中生成初始化代码时，默认使用的库是哪一个？
- A) LL库
- B) HAL库
- C) Standard Peripheral Library
- D) 自定义库