STM32单片机学习(16) —— 中断相关概念

概述

**中断（Interrupt）**作为嵌入式系统一个非常重要的概念，已成为单片机（MCU）中最基础的外设模块/功能之一。

利用中断机制可以有效提高 CPU 效率，绝大多数嵌入式应用开发都会用到中断系统。

熟练编写中断程序是嵌入式开发人员必备的基本技能。

是我们学习STM32外设的第三大部分。

中断是什么？

为了讲清楚中断是什么，我们可以打一个通俗的比喻：

你正在图书馆看书学习，这时快递员通知你的快递到了，你暂停看书去拿快递，那么拿快递就是一个中断。中止你现在正在做的事情（看书）转而去做另一个事情。

如果在去取快递的路上，你突然肚子疼，只好先去趟卫生间，然后再去拿快递。

此时，肚子疼又是一个中断，而且是比拿快递更重要、更紧迫的事件，也就是说，中断中又有一个中断，这就是中断嵌套。

只有更重要、更迫切的（高级别）中断才能中止当前级别低的中断，也就是说中断是有优先级的。

能够引发中断的事件（快递到了、肚子疼等）称为中断源。

而对中断进行处理（拿快递、去卫生间等）称为中断服务程序（Interrupt Service Routine, 简称ISR）

这里有三个重要的概念：

1. 中断：在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件（中断源），使得CPU暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。
2. **中断优先级：**当有多个中断源同时申请中断时，CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应处理更加紧急的中断源。
3. **中断嵌套：**当一个中断服务程序正在运行时，又有新的更高优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完成后依次进行返回。

下面的两张图就很好的解释了中断和中断嵌套：

在一个实际程序中，中断的处理是自动完成的，请看下图：

简单来说：

程序员只需要编写好中断服务程序，并完成中断触发条件等相关配置即可。

当主程序运行过程中触发中断条件时，嵌入式系统会自动完成以下操作：

1. 自动保存主程序的当前执行状态
2. 跳转去执行中断处理函数（中断服务程序，ISR）
3. 执行完毕中断处理逻辑后，自动恢复之前保存的主程序状态，并继续从中断前的指令处执行。
4. 这个过程就是常说的“上下文切换”，或者“中断上下文切换”。

以上这些过程，都由嵌入式系统自动完成，程序员不需要手动处理这些细节。

那么程序员在使用中断这种机制时，需要动手做的事情有哪些呢？

1. 设置好中断源，配置好中断相关的参数数据，还需要手动开启这个中断源。
2. 编写好相应的中断服务程序，也就是编写对应的中断处理函数。

从这个角度看，中断是一种高效且易用的语法机制。

中断优先级

在上面我们已经理解了中断的概念含义，现在我们进一步来了解一下中断优先级的概念。

在一个STM32嵌入式系统中，几乎所有的外设都可以产生中断源。

如果这些中断同时发生（例如多个外设同时产生中断请求），那么必须决定哪一个中断先被处理。

为此，STM32 提供了中断优先级机制，允许程序员为每个中断源设置不同的优先级。

STM32 的中断优先级被分为两组，这两组优先级分别是：

1. 抢占优先级（Preemption Priority）
2. 子优先级（Subpriority，有些地方也叫响应优先级）

下面来讲解一下这两个优先级的相关概念。

优先级具体在表示时，都会使用非负整数表示，最小值是0，数值越小表示优先级越高，0就是最高的优先级。

抢占优先级

抢占优先级是最关键且核心的优先级：

1. 若主程序正常运行时，同时产生了多个中断，那么抢占优先级更高的中断先执行。
2. 若主程序已经在执行中断A了，中断A执行过程中产生了中断B，且中断B的抢占优先级更高，则会产生中断嵌套，优先执行中断B。

总之抢占优先级的核心点在于"抢占"二字，具有更高抢占优先级的中断可以打断正在执行中的低优先级中断。

子优先级

只有当抢占优先级相同时，才需要考虑中断的子优先级：

1. 若主程序正常运行时，同时产生了多个抢占优先级相同的中断，那么子优先级更高的中断先执行。
2. 若A和B是相同抢占优先级的两个中断：
   1. 系统当前正在执行中断A，此时产生了中断B
   2. 无论中断B的子优先级更高还是更低，中断B都不能打断中断A的执行，无法产生中断嵌套。

也就是说，子优先级和中断嵌套没有关系，只要当前已有中断在执行，那么相同抢占优先级的中断就无法打断。

总之结论如下：

1. 抢占优先级 决定了多个中断同时触发时，哪个中断优先执行，抢占优先级越高，越先执行。
2. 抢占优先级 还决定了哪个中断可以打断另一个中断，抢占优先级高的中断可以打断，当前正在执行的，抢占优先级更低的中断。
3. 子优先级 只用来区分同一抢占优先级的中断触发时，执行的先后顺序，子优先级越高，越先执行。子优先级和中断嵌套没有关系！

中断执行优先级举例

假如现在有5个中断：

1. A中断，抢占优先级3，子优先级3
2. B中断，抢占优先级2，子优先级4
3. C中断，抢占优先级2，子优先级2
4. D中断，抢占优先级2，子优先级3

假如主程序在正常执行的某点，突然触发了A中断，此时由于只有一个中断源，不用考虑优先级，直接执行A中断的处理函数，如下图所示：

假如在执行A中断处理函数的过程中，突然触发了B中断，会发生什么事情呢？

由于B中断的抢占优先级更高（2 < 3），所以B会打断A中断函数的执行，嵌套执行B中断，即产生了中断嵌套。如下图所示：

再假如在执行B中断处理函数的过程中，突然同时触发了CD两个中断，会发生什么事情呢？

BCD四者的抢占优先级是一致的，哪怕CD的子优先级更高，但子优先级和中断嵌套没有关系，所以CD都必须等待B中断执行完毕后才可能执行。

在B中断执行完毕后，会返回A中断被嵌套中断的断点位置，CD的抢占优先级高于A，所以CD会继续打断A的执行。

而C和D之间，则会根据子优先级来排列它们的执行顺序，C的子优先级更高，所以C先于C执行完毕，都先于A执行完毕。

整个中断执行的流程图，如下图所示：

在大多数嵌入式应用中，程序的复杂度往往比较低，中断触发的情况通常是由单一事件引起的，中断嵌套的情况是比较少见的，更不用说上述这么复杂的情况。

但是在一些实时系统中，还是会存在一些比较复杂的中断系统，所以对于中断优先级的相关概念，大家还是要了解清楚的。

搞清楚了STM32中断优先级的概念，那么如何设置中断的优先级呢？

为了搞清楚这个事情，我们先来看一下STM32的中断系统框图。

STM32的中断系统框图

STM32 当中有很多片上外设都可以产生中断源，例如 USART、EXTI、TIM、SPI、I2C 等。

这些外设在满足中断条件时：

都会向 CPU 提出中断请求，都希望抢占 CPU 的执行权，转而执行各自对应的中断服务程序（ISR）。

这么多中断如果同时存在，而没有一个统一管理的“机构”，那中断系统就乱套了。

在整个中断系统中，处于核心控制地位，负责中断调度、优先级管理和中断嵌套的组件，就是 NVIC。

NVIC的作用

NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) ，直译为嵌套矢量中断控制器。

当然一般没什么人直接叫它的中文译名，直接叫NVIC即可。

NVIC 是单片机中非常重要的、核心的组成部分，几乎所有中断相关的事项都需要NVIC参与处理。

其主要作用有以下几项：

1. 中断的开启和关闭。
   1. 外设可以提交中断请求给NVIC，但只有被NVIC开启的中断才能够抢占CPU执行。
   2. NVIC如果关闭了某个中断，那么此中断就完全无效。
2. 中断的优先级设置，NVIC 负责为各个中断源请求配置和管理优先级。
3. 中断调度与执行控制。
   1. NVIC 会根据已配置的优先级规则，对所有中断请求进行仲裁，决定哪个中断优先进入 CPU 执行
   2. 中断的挂起等待、中断嵌套等一系列中断行为都由NVIC决定。

总之，用通俗的话来说：

外设只负责产生中断请求，而NVIC来决定“中断是否生效、中断什么时候执行以及什么顺序执行”。

NVIC不属于片上外设

NVIC在使用时可以把它视为一个特殊的片上外设，尤其是在编程的时候。毕竟：

它同样具有寄存器，也需要配置寄存器，SPL库中也有对应函数可以调用。

但严格来说，NVIC并不是片上外设，它和GPIO、USART等外设有着本质上的区别：

1. NVIC属于Cortex-M 内核的一部分。
2. NVIC也并没有挂载在AHB或者APB总线上，它集成在CPU内部，是CPU的一部分，和CPU“住在一起”。

这样NVIC在使用时，就和一般片上外设具有差异性。最重要的有两条：

1. 只要CPU运行，NVIC就处于工作状态。所以NVIC在使用时，不需要像传统外设那样开启时钟！
2. 片上外设可能由于芯片型号不同，在数量或功能细节上存在差异。但NVIC属于内核组件，只要核心相同的芯片，NVIC在使用上都是一致的。

当然，在日常交流口头上，说“NVIC外设”通常也没有大问题，大家都能够理解。

NVIC中断优先级的配置

其它外设产生中断请求，然后交给NVIC外设统一配置，其中就包括配置此中断请求的优先级。

那么NVIC是如何实现中断优先级的配置呢？

NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位（上图中间的四个格子）决定，这4位可以进行切分：

1. 高n位决定抢占优先级的取值。
2. 低ｍ位决定子优先级的取值，其中m = 4 - n。

下面详细讲一下STM32中断优先级分组。

中断优先级分组

很明显，根据n的取值不同，一共可以分为5种情况，也就是5个分组。如下图所示：

分组０，注意从０开始，不是从1开始：

1. n = 0，没有抢占优先级，或者可以认为所有中断的抢占优先级都一样，固定是0。
2. m = 4，优先级寄存器的 4 位都用于子优先级，子优先级的取值范围是 0 ~ 15

采用分组0时，由于没有抢占优先级，中断系统完全依赖子优先级来管理。

此时中断系统中没有嵌套行为，单纯依赖子优先级排队执行。

分组1：

1. n = 1，优先级寄存器的 1 位用于抢占优先级，抢占优先级的取值范围是 0 ~ 1
2. m = 3，优先级寄存器的 3 位用于子优先级，子优先级的取值范围是 0 ~ 7

分组2：

1. n = 2，优先级寄存器的 2 位用于抢占优先级，抢占优先级的取值范围是 0 ~ 3
2. m = 2，优先级寄存器的 2 位用于子优先级，子优先级的取值范围是 0 ~ 3

分组3：

1. n = 3，优先级寄存器的 3 位用于抢占优先级，抢占优先级的取值范围是 0 ~ 7
2. m = 1，优先级寄存器的 1 位用于子优先级，子优先级的取值范围是 0 ~ 1

分组4：

1. n = 4，优先级寄存器的 4 位都用于抢占优先级，抢占优先级的取值范围是 0 ~ 15
2. m = 0，没有子优先级，或者可以认为所有中断的子优先级都一样，固定是0。

采用分组4时，中断系统没有子优先级，完全依赖抢占优先级来管理中断的执行顺序，存在中断嵌套。

注意以下几点：

1. 在设置具体中断优先级数值之前，应该先设置优先级分组。因为分组决定了优先级数值的具体取值范围！
2. 如果不小心忘记明确设置优先级分组，那么单片机本身会采用默认分组0。
   1. 这个默认的分组0，来自于NVIC上电启动后寄存器的复位值，是一种默认行为。
   2. 默认分组0就意味着系统内不存在抢占优先级，全部依赖子优先级决定中断的执行。
   3. 在该分组下，中断之间不会发生嵌套抢占。
   4. 这显然是一种保守的、安全的中断优先级分组配置。
3. 最好不要依赖优先级分组的默认行为。
   1. 试想一下，如果忘记设置优先级分组，直接配置抢占优先级字段。
   2. 看似设置成功，实则没有任何作用，中断不会出现任何抢占行为。
   3. 因为分组0没有抢占优先级。
   4. 为了避免这种情况出现，请大家一定不要忘记手动设置优先级分组！一定要显式设置分组后再设置优先级数值！
4. 多次设置中断优先级分组通常也是无意义的，而且具有风险。所以设置分组的操作最好就放在main函数死循环的上面，只执行一次即可。
5. 由于我们采用标准库开发方式，底层寄存器操作被封装了，所以分组和优先级数值的设置，实际都只需要调用函数就足够了。

优先级都一样怎么办？

如果你真正搞懂了上述优先级相关内容，且善于发散思考，你可能会提出这样的问题：

抢占优先级不同优先看抢占优先级，抢占优先级相同就看子优先级。

那么如果两个中断抢占优先级和子优先级都一样，怎么办呢？

谁先谁后执行？

STM32的设计者早已想到了这个问题了：

在多个中断优先级完全一致时，单片机会优先执行中断向量表中向上靠前的中断，也就是优先执行表格中编号小的中断。

那么什么是中断向量表呢？

1. 简单来说，中断向量表是一张"函数地址表"，每一个中断类型的中断服务程序（ISR）都具有唯一对应的函数入口地址（函数指针）。
2. CPU在执行某一中断类型的中断服务程序时，就需要查表来确定函数的入口地址，从而执行该中断服务程序。

在《参考手册》的中断和事件章节，章节开头就给出了中断向量表。

一部分截图如下：

很明显如果两种优先级都一样，系统级中断具有优先执行权。

还有一个叫Reset的中断，也就是复位操作，它的优先级是固定最高的，不管单片机在做什么，触发复位时都会优先执行。

其余外设中断的执行顺序，则可以查表得到，这里就不赘述了。