STM32中SysTick延時中斷的優(yōu)先級調(diào)整*

鄭忠楷,蔣學(xué)程,羅志灶

(閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福州 350108)

STM32中SysTick延時中斷的優(yōu)先級調(diào)整*

鄭忠楷,蔣學(xué)程,羅志灶

(閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福州 350108)

本文就STM32單片機(jī)的SysTick延時中斷及中斷處理中進(jìn)行中斷優(yōu)先級調(diào)整進(jìn)行了一些討論，主要是在同時存在串口中斷時的情況下進(jìn)行研究，并具體分析了一個Delay_us()庫函數(shù)和串行中斷響應(yīng)的程序?qū)嵗?。在多個中斷并存的情況下，SysTick延時中斷的優(yōu)先級直接影響中斷的CPU/系統(tǒng)資源占用和服務(wù)響應(yīng)時間，因此對其研究很有必要。

SysTick中斷、中斷優(yōu)先級、單片機(jī)、延時

引 言

自從ARM公司2007年首次推出Cortex內(nèi)核，意法半導(dǎo)體公司推出了一款高性能的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位的STM32[1-3]，其主頻可以達(dá)到72 MHz，有著十分方便易用的庫函數(shù)給用戶使用，但同時也帶來了許多意想不到的問題。比如說其中最常用到的SysTick延時中斷和與其相關(guān)的Delay_us()庫函數(shù)，在使用的時候就有很多需要注意的地方，不然有時會造成意外的錯誤，甚至有死機(jī)的可能。本文主要針對SysTick中斷在有串口中斷存在時如何調(diào)整二者優(yōu)先級進(jìn)行研究和討論。

1 STM32固件庫簡介

STM32固件庫是STM32庫函數(shù)集合的總稱，STM32固件庫可以從意法半導(dǎo)體官網(wǎng)下載。固件庫首先將MCU的各個設(shè)備中所有寄存器的配置字進(jìn)行預(yù)先定義，然后封裝在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體或枚舉變量中，待用戶調(diào)用對應(yīng)的固件庫函數(shù)時，會根據(jù)用戶傳入的參數(shù)從這些封裝好的結(jié)構(gòu)體或枚舉變量中取出對應(yīng)的配置字，最后寫入寄存器中，完成對底層寄存器的配置。采用固件庫形式，可以加速程序開發(fā)，用戶不必每個寄存器一個一個地細(xì)細(xì)分析，可直接面對程序功能的編寫程序?；赟TM32的這個固件庫，程序員可以快速開發(fā)ARM微控制器，這個庫文件寫的非常齊全方便，可以讓程序員在外設(shè)的硬件配置上節(jié)省很多時間。但是程序員還是需要根據(jù)許多具體實際情況熟悉外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)和寄存器結(jié)構(gòu)功能來學(xué)習(xí)使用庫文件，而且要考慮具體使用時的軟件環(huán)境和對應(yīng)版本，隨著硬件的更新升級，STM32固件庫也推出了2.02版、3.15版、3.5版等版本。

1.1 STM32 SysTick延時中斷簡介

幾乎每個版本中都有對應(yīng)的SysTick延時中斷[4]，它具有自動重載和溢出中斷的功能，所有基于Cortex-M3處理器的微控制器都可以由這個定時器獲得一定的時間間隔。采用SysTick延時中斷可以很容易地完成單片機(jī)系統(tǒng)的簡單延時、節(jié)拍確定，SysTick延時中斷實質(zhì)上是對一個定時器的配置及其中斷函數(shù)的編寫，但是使用中有很多要注意的細(xì)節(jié)，在很多場合它被形象稱為“滴答定時器中斷”，因為它被直接用在軟件系統(tǒng)中提供節(jié)拍。在單任務(wù)的應(yīng)用程序中，其程序架構(gòu)決定了它執(zhí)行任務(wù)的串行性，這就引出一個問題：當(dāng)一個任務(wù)出現(xiàn)問題時，就會牽連到后續(xù)的任務(wù)，進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。要解決這個問題就要使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)，因為RTOS采用并行的任務(wù)架構(gòu)，單一任務(wù)的崩潰并不會牽連到整個系統(tǒng)，但是RTOS的任務(wù)調(diào)度需要軟件系統(tǒng)為其提供一個節(jié)拍，這也就是SysTick延時中斷的重要性和“滴答定時器”名稱的由來。正因為此，在使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)時為了保證任務(wù)調(diào)度的最高優(yōu)先級，必須把SysTick延時中斷的優(yōu)先級設(shè)置為最高。

1.2 Delay_us()庫函數(shù)簡介及其特點

即便在沒有采用實時操作系統(tǒng)(RTOS)的場合，程序依舊采用單任務(wù)串行架構(gòu)，在一些簡單應(yīng)用場合(比如控制LED的閃爍、鍵盤防抖等基本程序)還是要用到簡單的延時函數(shù)，這時其實就是讓CPU做一些簡單的無用工作，浪費一點CPU時間，等待外部中斷，等待一個確定的時間。這時如果用簡單的while()或者for()空循環(huán)，則不容易精確地控制時間的長短，STM32的固件庫非常體貼地給用戶提供了Delay_us()函數(shù)，這樣用戶可以方便地設(shè)計比較簡單準(zhǔn)確的延時程序。

但是這個延時程序也是基于SysTick延時中斷的，仔細(xì)分析其庫函數(shù)源文件SysTick.C，不難發(fā)現(xiàn)其中Delay_us(__IO u32 nTime)函數(shù)中設(shè)置了一個名為TimingDelay的32位變量，再在SysTick延時中斷中將其遞減，然后又在Delay_us(__IO u32 nTime)中使用“while(TimingDelay !=0);”循環(huán)死等SysTick延時中斷，將其遞減為零。這里實際上留下了一個巨大的bug,如果有一個中斷的優(yōu)先級比SysTick延時中斷高，打斷了SysTick延時中斷，則會導(dǎo)致SysTick延時中斷不能發(fā)生，系統(tǒng)就必然陷在while()循環(huán)中導(dǎo)致死機(jī)。若要避免出現(xiàn)這種情況，就必須保證SysTick延時中斷始終處在中斷優(yōu)先級的最高一級，可以在每個時間片完成一次TimingDelay變量的遞減。

2 STM32系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級

幾乎所有的微處理器都具有中斷及響應(yīng)、中斷處理的一套軟硬件設(shè)備和流程，為了實現(xiàn)多個中斷的響應(yīng)，當(dāng)然要對它們進(jìn)行優(yōu)先級劃分，STM32也不例外。STM32中的中斷優(yōu)先級還有搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級的區(qū)別[4]，中斷搶占優(yōu)先級是指當(dāng)多個中斷同時發(fā)生時哪個中斷優(yōu)先搶占資源，這里的資源指的是CPU處理時間和內(nèi)存等資源。中斷響應(yīng)優(yōu)先級是指在相同的中斷搶占優(yōu)先級中的優(yōu)先級劃分，也就是說當(dāng)多個搶占優(yōu)先級中斷同時發(fā)生時，或者高優(yōu)先級中斷結(jié)束后，同優(yōu)先級的中斷中CPU優(yōu)先處理哪個中斷。

在STM32中，可以人為地設(shè)定各個設(shè)備中斷的優(yōu)先級，這樣就可以對它們的觸發(fā)、響應(yīng)的優(yōu)先級做出合理的規(guī)劃。同時，如果沒有合理的規(guī)劃好中斷優(yōu)先級，很可能給單片機(jī)系統(tǒng)帶來不可預(yù)計的后果，也可能陷入不停地循環(huán)——遞歸的中斷調(diào)用中，甚至可能造成系統(tǒng)死機(jī)。前述的Delay_us()庫函數(shù)中的SysTick延時中斷被高一級中斷打斷之后進(jìn)入死循環(huán)導(dǎo)致死機(jī)就是一個例子。

3 程序?qū)嵗捌溲芯?/h2>

3.1 實例程序分析

在一個簡單的單片機(jī)程序“串口接收數(shù)據(jù)-控制LED閃燈次數(shù)”中，要用到串口中斷和PC機(jī)通信以及Delay_us()函數(shù)完成LED閃燈延時，其中的Delay_us()函數(shù)就要用到SysTick中斷。最初，我們把Delay_us()函數(shù)簡單地寫在了串口中斷處理函數(shù)USARTx_IRQHandler()里，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單片機(jī)常常意外死機(jī)。多次跟蹤調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，只要進(jìn)入USARTx_IRQHandler()中斷，延時程序Delay_us()函數(shù)就經(jīng)常不再正常工作，LED也就不再繼續(xù)閃爍?？梢娫谑褂肧TM32時，不能像使用51單片機(jī)或者AVR單片機(jī)那樣用一個簡單使能中斷、禁止中斷指令來解決這個問題，問題的關(guān)鍵在于多個中斷之間的優(yōu)先級調(diào)整來分配CPU資源。解決的辦法是，將SysTick中斷的搶占優(yōu)先級設(shè)高，讓它能夠打斷USARTx中斷隨時獲得CPU資源，在一個系統(tǒng)中Delay_us()函數(shù)要完成最基本的延時功能，從前面對SysTick.C文件中它的分析可知，它往往需要獲得最高的中斷優(yōu)先級才能保證不陷入“while(TimingDelay !=0);”死循環(huán)，因為SysTick中斷一旦被打斷，TimingDelay變量就不能完成遞減，“while(TimingDelay !=0);”死循環(huán)就會發(fā)生。

前述的LED閃燈程序死機(jī)，究其實質(zhì)就是因為串口中斷USARTx服務(wù)子程序的優(yōu)先級比SysTick中斷來的高，打斷了SysTick中斷，使得TimingDelay變量的遞減過程串口中斷USARTx服務(wù)子程序被破壞，所以在Delay_us()函數(shù)中發(fā)生了“while(TimingDelay !=0);”死循環(huán)，系統(tǒng)陷入了死機(jī)。

3.2 STM32的串口庫函數(shù)及其中斷設(shè)置

在STM32中有多個硬件串口設(shè)備可以訪問，因此當(dāng)設(shè)置好串口設(shè)備的相應(yīng)I/O口輸入/輸出特性后,在其硬件庫中可以直接調(diào)用串口發(fā)送函數(shù)USART_SendData(USARTx,data),將data發(fā)到串口USARTx,也可以在串口接收中斷函數(shù)USARTx_IRQHandler()里面寫下對應(yīng)串口USARTx的接收中斷處理函數(shù)。但是，這里由于串口接收事件是被動的、未知的，所以我們采用了中斷的方式來完成,因此需要設(shè)置其對應(yīng)的中斷優(yōu)先級，具體代碼如下：

NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn,0x00);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

//中斷搶占先等級1

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;

//中斷響應(yīng)優(yōu)先級2

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

//打開中斷

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

在這個程序?qū)嵗?用“NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn,0x00);”將SysTick中斷的搶占優(yōu)先級設(shè)置為0(最高)，把“NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1”設(shè)置為次高(把串口中斷的搶占優(yōu)先級設(shè)置為1)，這樣既保證了SysTick中斷處于中斷優(yōu)先級的最高一層不會被其他中斷打斷，Delay_us()函數(shù)不會進(jìn)入死循環(huán)，又保證了串口函數(shù)的優(yōu)先級為次高不被其他程序打斷，閃燈次數(shù)有著一定的實時性。

3.3 程序運行結(jié)果

經(jīng)過以上優(yōu)先級調(diào)整后，多次實驗結(jié)果表明：程序順利運行完成了PC上位機(jī)控制下位機(jī)完成LED閃燈次數(shù)的功能結(jié)果表明下位機(jī)沒有再次進(jìn)入死循環(huán)。

結(jié) 語

[1] 張炳先,王密,潘俊.基于卡爾曼濾波的光學(xué)遙感影像高精度復(fù)原處理[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2015,40(7):964-969.

[2] 劉軍.例說STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[3] Texas Instruments.德州儀器高性能模擬器件高校應(yīng)用指南,2014.

[4] JosephYiu.Coretex-M3權(quán)威指南[M]. 宋巖,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

Priority Adjustment of SysTick Delay Interrupt in STM32

Zheng Zhongkai,Jiang Xuecheng,Luo Zhizao

(Department of Physics&Electronic Information Engineering,Minjiang University,Fuzhou 350108,China)

In the paper,the interrupt priority adjustment of STM32 MCU’s SysTick delay interrupt and reponse is discussed,in the case that the serial port interrupt at the same time happen.The Delay_us() library functions and a serial interrupt response example are analyzed.In the case of themultiple interrupts coexistence,the priority of SysTick delay interrupt directly affects the CPU/system resource usage and the service response time,so it is necessary to study the system.

SysTick interrupt;interrupt priority;microcontroller;delay

福建省科技廳農(nóng)業(yè)科技計劃重點項目(2013N0027) 蔬菜大棚的智能化改造；福建省教育廳青年教師培育計劃項目(JB12166) 分布式太陽能面板自動跟蹤伺服系統(tǒng)；福建省教育廳青年教師培育計劃項目(JA09186) 基于電流刺激模型的新型電刺激儀。

TP368.1

A

?迪娜

2016-11-21)