Порты ввода-вывода, прерывания и контроллер прерываний NVIC … ↩

1. Цели урока

Продолжительность урока — три часа: один час теории и два часа практики. После урока слушатель:

• выбирает между опросом и прерыванием для конкретного сигнала;
• настраивает внешнее прерывание по фронту на любом выводе и задаёт его приоритет;
• безопасно передаёт данные из обработчика прерывания в основную программу;
• реализует фильтр дребезга контактов как конечный автомат и проверяет его модульными тестами;
• измеряет задержку обработки прерывания логическим анализатором.

2. Термины и сокращения

3. Опрос и прерывания

Программа может узнать о событии двумя способами. При опросе она периодически читает состояние вывода или флага. При прерывании ядро само приостанавливает текущий код и вызывает обработчик.

Ядро Cortex-M4 начинает выполнять обработчик через 12 тактов после события, то есть примерно через 71 нс на частоте 168 МГц. Такты ожидания флеш-памяти и выполняющиеся в этот момент обработчики с более высоким приоритетом увеличивают задержку.

4. Контроллер внешних прерываний

Контроллер EXTI STM32F405 имеет шестнадцать линий для выводов: линия с номером n подключается к выводу с тем же номером в одном из портов. Линия EXTI4 может обслуживать PA4, PB4 или PC4, но только один из них. Выбор порта для линии задаётся в регистрах SYSCFG_EXTICR.

Настройка прерывания по фронту

Файл hal/stm32f4/exti_stm32.c

void gyro_drdy_exti_init(void)
{
    RCC-＞APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;            /* SYSCFG выбирает порт для линии EXTI */
    (void)RCC-＞APB2ENR;

    /* Линия EXTI4 подключается к порту C: регистр EXTICR[1], поле EXTI4. */
    SYSCFG-＞EXTICR[1] = (SYSCFG-＞EXTICR[1] & ~SYSCFG_EXTICR2_EXTI4)
                      | SYSCFG_EXTICR2_EXTI4_PC;

    EXTI-＞RTSR |= EXTI_RTSR_TR4;                     /* по переднему фронту */
    EXTI-＞FTSR &= ~EXTI_FTSR_TR4;
    EXTI-＞PR    = EXTI_PR_PR4;                       /* сбросить старый запрос (запись 1) */
    EXTI-＞IMR  |= EXTI_IMR_MR4;                      /* разрешить линию */

    NVIC_SetPriority(EXTI4_IRQn, 1);                 /* 0 — самый высокий из 16 уровней */
    NVIC_EnableIRQ(EXTI4_IRQn);
}

void EXTI4_IRQHandler(void)
{
    EXTI-＞PR = EXTI_PR_PR4;          /* сбросить флаг первым делом, иначе — повторный вход */
    g_gyro_drdy_cycles = DWT-＞CYCCNT; /* отметка времени для замера задержки */
    g_gyro_drdy_count++;              /* в обработчике — только короткие действия */
}

Флаг запроса в регистре EXTI-＞PR сбрасывается записью единицы. Если его не сбросить, ядро вызовет обработчик снова сразу после выхода из него, и основная программа перестанет выполняться.

5. Приоритеты прерываний

В STM32F405 контроллер NVIC использует четыре бита приоритета, то есть шестнадцать уровней. Уровень 0 — самый высокий. Обработчик с более высоким приоритетом прерывает обработчик с более низким. Функция NVIC_SetPriority из CMSIS сама сдвигает значение в старшие биты регистра.

Общие данные обработчика и основной программы

Переменная, которую изменяет обработчик, объявляется с квалификатором volatile. Чтение и запись выровненного 32-битного значения на Cortex-M4 выполняются одной инструкцией и не могут быть прерваны. Для значений типа uint64_t и для структур это не так, и их чтение выполняется в критической секции.

uint32_t primask = __get_PRIMASK();
__disable_irq();                      /* начало критической секции */
gyro_sample_t copy = g_gyro_sample;   /* копия структуры целиком */
__set_PRIMASK(primask);               /* восстановить прежнее состояние */

Сохранение и восстановление регистра PRIMASK вместо безусловного разрешения прерываний позволяет вызывать такой код и там, где прерывания уже запрещены.

6. Дребезг контактов

При нажатии кнопки контакты замыкаются и размыкаются несколько раз в течение нескольких миллисекунд. Если повесить на кнопку внешнее прерывание, одно нажатие вызовет несколько обработчиков. Поэтому кнопка в BeeFC опрашивается задачей планировщика, а решение принимает конечный автомат.

Файл core/debounce.h

typedef enum { BTN_EVENT_NONE, BTN_EVENT_PRESSED, BTN_EVENT_RELEASED } btn_event_t;

typedef struct {
    bool    stable;       /* подтверждённое состояние: true — нажата */
    uint8_t count;        /* сколько опросов подряд сырое значение отличается */
    uint8_t threshold;    /* сколько опросов нужно для смены состояния */
} debounce_t;

void        debounce_init(debounce_t *d, uint8_t threshold);
btn_event_t debounce_update(debounce_t *d, bool raw_pressed);

Файл core/debounce.c

void debounce_init(debounce_t *d, uint8_t threshold)
{
    d-＞stable = false;
    d-＞count = 0;
    d-＞threshold = threshold;
}

btn_event_t debounce_update(debounce_t *d, bool raw_pressed)
{
    if (raw_pressed == d-＞stable) {
        d-＞count = 0;                 /* дребезг закончился, счёт сначала */
        return BTN_EVENT_NONE;
    }
    if (++d-＞count != d-＞threshold) {
        return BTN_EVENT_NONE;        /* изменение ещё не подтверждено */
    }
    d-＞count = 0;
    d-＞stable = raw_pressed;
    return raw_pressed ? BTN_EVENT_PRESSED : BTN_EVENT_RELEASED;
}

Автомат меняет состояние только после того, как новое значение повторилось заданное число опросов подряд. При опросе с частотой 1 кГц и пороге в десять опросов изменение подтверждается через 10 мс.

Файл tests/unit/test_level1.c

void test_debounce_ignores_bounce_and_reports_one_press(void)
{
    debounce_t d;
    debounce_init(&d, 3);
    const bool raw[] = { 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1 };   /* дребезг, затем нажатие */
    int presses = 0;
    for (unsigned i = 0; i != sizeof raw; i++)
        if (debounce_update(&d, raw[i]) == BTN_EVENT_PRESSED) presses++;
    TEST_ASSERT_EQUAL_INT(1, presses);
    TEST_ASSERT_TRUE(d.stable);
}

7. Замер задержки прерывания

Задержка измеряется логическим анализатором с двумя каналами. Первый канал подключается к выводу кнопки, второй — к свободному выводу, который обработчик переключает первой же инструкцией. Время между фронтом на первом канале и фронтом на втором — задержка обработки прерывания вместе с временем записи в порт.

На том же снимке анализатора виден дребезг: после нажатия на первом канале появляется серия коротких импульсов, и каждый из них вызывает обработчик.

8. Практика

9. Как это сделано в больших прошивках

• В Betaflight драйвер датчика регистрирует обработчик функциями EXTIHandlerInit и EXTIConfig, объявленными в exti.h. Реализация в src/platform/STM32/exti.c сама обслуживает общие обработчики линий 5–9 и 10–15 и вызывает нужную функцию драйвера по номеру линии.
• В INAV устройство модуля exti.c унаследовано от общего предка и похоже на Betaflight.
• В ArduPilot метод attach_interrupt в файле GPIO.cpp подключает обработчик через события линий ввода-вывода операционной системы ChibiOS.
• Драйвер ICM42688P.cpp в PX4 по прерыванию готовности данных запускает чтение очереди измерений датчика. Одновременно драйвер планирует резервный запуск через удвоенный интервал. Если прерывание не пришло, срабатывает резервный запуск: драйвер увеличивает счётчик «DRDY missed» и читает количество накопленных измерений из датчика напрямую. Так пропущенное прерывание не останавливает цикл управления.

10. Проверьте себя

1. Почему кнопку не подключают к внешнему прерыванию напрямую?
2. Можно ли одновременно использовать внешние прерывания на выводах PA4 и PC4?
3. Что произойдёт, если в обработчике не сбросить флаг в регистре EXTI-＞PR?
4. Когда для чтения общей переменной нужна критическая секция?
5. Что делает драйвер ICM-42688-P в PX4, если прерывание готовности данных не пришло?

11. Чек-лист самопроверки

• Тесты фильтра дребезга пройдены
• Подсчитано число прерываний на двадцать нажатий кнопки
• Измерена задержка обработки прерывания
• Прерывание линии готовности данных прошло проверку в Renode
• Выход гироскопа ни разу не соединялся с другим выходом

12. Источники

1. Справочное руководство RM0090, раздел 12, контроллер прерываний и событий.
2. Руководство программиста PM0214, разделы о контроллере NVIC и регистре PRIMASK.
3. Описание платы MAMBAF405_2022B для Betaflight.
4. Драйвер ICM-42688-P в PX4.

13. Что дальше

• Следующий урок: S6. Системное время и планировщик задач.
• Полный перечень уроков приведён в статье «Курс BeeFC: содержание уровня „Старт“».

Проверено: 13.10.2026