STM32 中断体系深度解析：基于 HAL 库的按键控制 LED 完整流程（从原理到代码）

发布于：2025-07-30 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

一、按键消抖与中断：从问题到 HAL 库实现（新手必懂的按键处理逻辑）

（一）、问题引入：为什么会 “丢失按键”？

（1）死循环检测的缺陷

用 while(1) 死循环读取按键引脚电平，就像 “盲人摸象”—— 如果按键动作（电平变化）发生在两次检测之间，程序就会 “看不见”。

  • 按键按下→松开→按下→松开，产生 4 次电平变化（①→②→③→④）
  • 但程序如果在④位置才检测，就会丢失中间 2 次按键动作！

（二）生活类比理解

想象你在看书（主程序），每隔 10 分钟才抬头看一眼门铃（死循环检测）：

  • 如果门铃在 “非抬头时间” 响（按键动作），你就会错过（丢失按键）！
  • 解决办法：门铃响时主动打断你（中断机制），不管你在看哪页书，都会立即处理。

二、中断机制：解决 “丢失按键” 的钥匙

（一）中断处理流程

中断就像 “紧急门铃”，能主动打断主程序，流程分 7 步：

  1. 主程序正常执行（①）
  2. 按键按下→触发中断（②）
  3. 暂停主程序（③）→保存当前状态（比如 “看到书的第几页”）（④）
  4. 跳转到中断任务（⑤）→执行按键处理逻辑（⑥）
  5. 恢复主程序状态（⑧）→继续执行（⑨）

（二）中断的硬件架构

CPU 运行时，会被各种 “异常” 打断，按键是其中一种中断源：

  • 按键、定时器、ADC 等事件→通过 “中断控制器” 汇总→通知 CPU
  • 中断控制器像 “前台”，帮 CPU 筛选最紧急的事件（比如同时按键和定时器中断，优先处理高优先级的）

三、ARM 芯片中断处理全流程

（一）准备阶段：给中断 “搭好台子”

想象 ARM 芯片是个 “多功能工厂”，中断就是工厂里的 “紧急任务通道”。要让这个通道能用，得先做 3 件事：

  1. 指定谁能触发中断（设置中断源）：
    比如告诉芯片 “当按键被按下时，要走紧急通道”，让按键这个 “触发事件” 能唤醒中断机制。
  2. 设置任务优先级（配置中断控制器）：
    工厂里可能同时有多个紧急任务（按键、定时器、串口数据），得规定谁先处理。比如 “按键中断比普通定时器中断更紧急”，避免重要任务被耽误。
  3. 打开紧急通道总开关（使能 CPU 中断）：
    就算设置了触发条件和优先级，要是总开关没开，紧急任务来了也没人理，所以得给 CPU 说 “允许处理中断”。

完成这三步，芯片就 “知道要监听哪些紧急事件、怎么排序、要不要响应” 了，接下来就能正常跑主程序（比如工厂里的常规生产流程）。

（二）触发阶段：中断是怎么 “跳出来” 的

当你按下按键（触发中断源），就像给工厂打了个 “紧急电话”：

  1. 按键把信号传给中断控制器（工厂的 “调度室”），调度室确认 “这是个要处理的中断”。
  2. CPU 每干完一件小事（执行完一条指令），都会 “瞄一眼” 调度室（检查有没有中断）。
  3. 一旦发现有紧急任务（中断触发），CPU 就会暂停手头的活（比如主程序里的循环），准备处理中断。

（三）处理阶段：中断函数是怎么执行的

CPU 暂停主程序后，会做三件事（像 “紧急任务处理流程”）：

  1. 记下来当前干到哪了（保存现场）：
    把主程序执行到一半的状态（比如变量值、执行到哪行代码）存起来，就像看书看到一半插个书签。
  2. 找到对应的处理方法（跳转到中断函数）：
    芯片里有个 “紧急任务手册”（异常向量表），写着 “按键中断该调用哪个函数处理”。CPU 会根据中断类型，找到对应的函数（比如 “按键按下后翻转 LED” 的逻辑）。
  3. 处理完回到书签继续干（恢复现场）：
    中断函数执行完（比如 LED 翻转完成），CPU 会把之前存的主程序状态读回来，继续从暂停的地方接着执行（就像从书签位置继续看书）。

（四）总结：中断处理像 “临时插播”

整个流程就像：
你正在看电影（主程序）→ 门铃突然响了（中断触发）→ 你暂停电影、记住看到哪（保存现场）→ 去开门（执行中断函数）→ 回来接着从暂停处看电影（恢复现场）。

ARM 芯片的中断处理，本质就是这套 “暂停 - 处理 - 恢复” 的逻辑，不管多复杂的中断，都是这个思路～

四、中断触发全流程拆解：从按键按下到执行函数

（一）源头：按键如何触发中断信号？

把按键想象成 “门铃”，要让门铃能触发中断，得完成 3 步 “接线 + 配置”：

1. 第一步：选 “门铃线”（配置中断源映射）

  • STM32 有很多 GPIO 引脚（PA0、PB0…PG0），但 EXTI 中断线只有 16 条（EXTI0~EXTI15）。
  • 想让 PA0 按键触发中断，得把 PA0 “连” 到 EXTI0 线上 —— 这就需要配置 AFIO_EXTICR 寄存。

看寄存器图（AFIO_EXTICR1）：

  • EXTI0[3:0] 这 4 位，决定 EXTI0 线连到哪个 GPIO。
  • 如果设置为 0000，就表示 EXTI0 连到 PA0；设 0001 则连到 PB0，以此类推。

白话解释：就像给门铃选 “入户线”，你得告诉系统 “PA0 这个按键，走 EXTI0 这条中断线”。

2. 第二步：设置 “门铃响的方式”（配置触发模式）

  • 按键按下时，电平会变化：可能是 “从高变低”（下降沿），也可能是 “从低变高”（上升沿）。
  • 你得告诉 EXTI 控制器：“当 PA0 电平出现下降沿时，触发中断”（或上升沿，看需求）。

对应手绘原理图里的 “触发方式”：在代码里配置 GPIO_MODE_IT_FALLING（下降沿触发）或 GPIO_MODE_IT_RISING（上升沿触发）。

3. 第三步：打开 “门铃接收器”（使能 EXTI 中断）

  • 即使接了线、设了触发方式，EXTI 控制器也得 “允许接收” 这个中断。
  • 这一步需要 使能 EXTI 对应的中断线（比如 EXTI0），让它能把信号传给 NVIC（中断控制器）。

（二）中转站：NVIC 如何 “调度” 中断？

NVIC 是 “中断调度中心”，它要做 2 件事：

1. 第一步：设置 “优先级”（谁先处理）

  • 系统可能同时触发多个中断（比如按键中断 + 定时器中断），得规定谁更紧急。
  • 通过 NVIC 配置 “抢占优先级” 和 “子优先级”：数值越小，优先级越高。
  •  优先级裁决：确定中断响应顺序（谁先处理）

    系统可能同时触发多个中断（如按键中断 + 定时器中断 ），NVIC 靠 “抢占优先级 + 子优先级” 区分紧急程度，规则如下：

  • 抢占优先级：决定 “中断能否嵌套” 。数值越小，优先级越高，高抢占优先级中断可打断低抢占优先级的中断执行（类似 “紧急任务插队” ）。比如 EXTI0 抢占优先级为 0 ，EXTI1 为 1 ，若 EXTI0 正在执行，EXTI1 触发不会打断它；但如果 EXTI1 抢占优先级是 0 、EXTI0 是 1 ，EXTI1 就能抢占执行。
  • 子优先级：当多个中断 “抢占优先级相同” 时，子优先级高（数值小）的先被响应；若抢占、子优先级都相同，编号小的中断优先。比如 EXTI0 和 EXTI1 抢占优先级相同，子优先级高的 EXTI0 会先处理；若子优先级也相同，EXTI0（编号小）优先。
【新增关键补充】优先级寄存器的 8 位 “隐藏规则”

很多初学者会疑惑：NVIC 里每个中断的优先级用 8 位寄存器存，这 8 位都咋用？这里藏着两个关键细节

  • ① 8 位不一定全实现：像 STM32F103 系列芯片，实际只实现了 4 位 。芯片厂商会根据硬件复杂度、功耗等需求，决定真正启用几位优先级位，具体看芯片手册。
  • ② 分组优先级和子优先级的划分可配置：NVIC 内部有 “优先级分组配置寄存器” ，它决定 8 位里 “哪些位算分组优先级（抢占用）、哪些位子优先级（同抢占时排序用）” 。比如：
    优先级分组 抢占优先级域 子优先级域
    0（默认） Bit[7:1] Bit[0]
    1 Bit[7:2] Bit[1:0]
    ... ... ...
    不同分组下，抢占和子优先级的位数拆分不同，配置时用 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping() 函数设置（比如 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_3); ），选好后所有中断的优先级拆分规则就跟着变啦。

代码配置示例（以 EXTI0 为例 ）：

// EXTI0_IRQn：中断通道；第一个 0：抢占优先级；第二个 0：子优先级  
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);

对应硬件原理：每个中断在 NVIC 里对应 8 位优先级寄存器（如 NVIC->IP[0] 对应外部中断 #0 ），寄存器被拆分为 “抢占优先级 + 子优先级” 两部分，通过代码配置这 8 位寄存器的值，实现优先级设定。

2. 总开关使能：允许中断到达 CPU

即使外设（如 EXTI ）触发了中断信号，NVIC 还需 “允许转发” 给 CPU ，才能真正响应中断。

代码实现（以 EXTI0 为例 ）： 

// 使能 EXTI0 对应的 NVIC 中断通道，让中断信号能传递到 CPU  
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

这一步是 “中断生效的最后开关” ，配置了优先级但未使能通道，中断依然无法被 CPU 响应。

简单说，NVIC 调度中断就像 “先给中断排好紧急程度（优先级裁决，含 8 位寄存器的分组秘密），再打开通道让紧急信号能传到 CPU 处理（使能开关）” ，确保系统按规则响应最紧急的中断 。

（三）终点：CPU 如何执行中断函数？（结合向量表）

当 NVIC 把中断信号传给 CPU 后：

1. 第一步：查 “导航表”（异常向量表）

  • CPU 每执行完一条指令，都会 “检查有没有中断”。一旦发现有中断，就去查 异常向量表。
  • 向量表里存着 “每种中断对应的处理函数地址”，比如 EXTI0 中断对应 EXTI0_IRQHandler 函数。

2. 第二步：执行 “中断逻辑”（回调函数）

  • EXTI0_IRQHandler 是硬件规定的入口函数，它会调用 HAL 库的 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler。
  • 最终会执行我们写的 回调函数 HAL_GPIO_EXTI_Callback，在这里写按键逻辑（比如翻转 LED）。

（四）总结：中断触发的完整流程

把整个过程想象成 “寄快递”：

  1. 按键按下 = 你把快递（中断信号）放到门口。
  2. EXTI 配置 = 选快递通道（EXTI0 线）、写快递要求（触发方式）、激活通道（使能 EXTI）。
  3. NVIC 调度 = 快递站（NVIC）看快递优先级（谁先送）、决定是否转发给 CPU（使能通道）。
  4. CPU 执行 = 快递员（CPU）查地址表（向量表）、找到收件地址（处理函数）、送快递（执行逻辑）。

五、STM32 GPIO 中断按键控制超详细教学（零基础友好版）

（一） 为什么用中断控制按键？

之前学按键，是不是一直用while(1)死循环检测？这样 CPU 啥都干不了，只能盯着按键，太浪费啦！中断方式 就像给按键装了 “报警器”，按下时主动喊 CPU 来处理，平时 CPU 该干嘛干嘛，效率直接拉满～今天带大家用 STM32 实现「按键中断控制 LED」，超详细步骤，跟着做一定能成！

（二）硬件原理 —— 按键怎么和 STM32 互动？

先看硬件电路：

  • 按键没按下：PB14 通过电阻（或内部上拉）保持高电平
  • 按键按下：PB14 直接连 GND，变成低电平
    STM32 就是通过检测 PB14 的电平变化（高→低 / 低→高）触发中断，实现按键功能！

(三)软件流程 —— 从配置到代码的完整步骤

回忆老师讲的中断流程，咱们一步步来：

步骤 1：用 CubeMX 配置 GPIO（图形化操作超简单）

打开 STM32CubeMX，找到你的开发板（比如 STM32F103C8T6 ），做这 2 件事：

（1）配置按键引脚（PB14）
  • 找到 PB14 引脚，右键选择 External Interrupt Mode with Rising/Falling Edge（上升沿 + 下降沿触发，按键按下、松开都能触发中断）
  • 上下拉电阻：如果硬件没外接电阻，选 No pull-up and no pull-down 也能用（实际建议选内部上拉更稳定，看需求调整）​​​​​​​
（2）配置 LED 引脚（比如 PC13）
  • 找到 PC13（开发板常用小灯引脚），配置为 Output Push Pull（推挽输出模式，控制灯亮灭）

步骤 2：配置 NVIC—— 让中断被 “听到”

NVIC 是 STM32 的 “中断管家”，得告诉它：“这个按键中断要优先处理！”

  • 点击左侧 NVIC，找到 EXTI line[15:10] interrupts（因为 PB14 对应 EXTI14，属于这一组）
  • 勾选 Enabled 启用中断
  • 设置优先级：Preemption Priority（抢占优先级） 和 Sub Priority（子优先级） 填 0 就行（数值越小优先级越高，简单场景不用纠结）

步骤 3：生成代码 ——CubeMX 帮你写框架

点击 GENERATE CODE，CubeMX 会生成初始化代码，重点看这 2 个文件：

  • stm32f1xx_hal_msp.c：里面有 GPIO 和 NVIC 的初始化代码（不用管，CubeMX 自动配好的）
  • main.c：主函数逻辑，我们要在这里写中断回调

步骤 4：写中断回调函数 —— 按键逻辑在这里

STM32 HAL 库有个 “回调函数” 机制，中断触发后会自动调用 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler，它会帮我们清中断标志，然后调用 HAL_GPIO_EXTI_Callback—— 我们只需要重写这个回调函数！

在 main.c 里添加代码（或者自己建个文件，记得包含头文件）：

// 中断回调函数，按键触发时自动执行
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    // 判断是不是 PB14 触发的中断
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_14) 
    {
        // 读取 PB14 当前电平：按下是低电平，松开是高电平
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_14) == GPIO_PIN_RESET) 
        {
            // 按键按下：控制 PC13 灯亮（假设小灯接 PC13）
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  
        } 
        else 
        {
            // 按键松开：控制 PC13 灯灭
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);  
        }
    }
}

(四)下载验证 —— 按下按键，看灯反应！

把代码编译、下载到开发板，试试：

  • 按下按键 K1（接 PB14 ）→ PC13 灯亮
  • 松开按键 → PC13 灯灭

如果没反应，检查这 3 点：

  1. 硬件连接：按键真的接 PB14、灯接 PC13 吗？
  2. CubeMX 配置：中断模式、NVIC 使能有没有漏？
  3. 代码逻辑：HAL_GPIO_EXTI_Callback 里的引脚判断对不对？

(五)完整流程（核心逻辑总结）：
(按键按下 → PB14 电平变化 → EXTI 触发中断 → NVIC 转发 → CPU 执行回调函数 → 控制 PC13 灯亮灭)

(六)一句话总结 —— 学会中断按键有多爽？

用中断控制按键，CPU 不用 “死等” 按键，效率翻倍！核心就 4 步：
CubeMX 配 GPIO → 配 NVIC 优先级 → 写回调函数 → 下载验证

下次做项目，不管是按键控制灯、还是触发复杂逻辑，都能用这套方法～快试试吧

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