【初入电子坑之stm32篇（五）】理解中断与stm32中断配置

理解中断与stm32中断配置

前言

按照个人习惯，本文将从“这是啥？”“为啥需要它？”“如何操作？”三个角度展开讨论分析。

目录

• 中断简介
• 中断理解
• stm32中的中断设置
  • NVIC
  • stm32中断配置
• 总结

中断简介

中断，即机器运行过程中出现某些意外情况，需机器停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

理解中断

想象一下这么一个场景：

你在认真的敲代码，你妈喊你出房间去客厅恰饭，并且以不出来就拔网线为威胁。这时候你能怎么办？只能乖乖保存好文档，然后去恰饭，恰完再回来打开之前的文件继续敲咯。

我们分析一下上述的场景：

• 正在敲代码——当前执行的事件
• 你妈喊你吃饭——中断源
• 你听到你妈喊你吃饭——接受到中断请求
• 威胁你——事件优先级别高
• 保存已经写好部分——保存现场（中断响应）
• 去恰饭——执行中断事件
• 恰饭回房间——中断返回
• 打开文件继续敲码——恢复现场

对于机器来说也是一样的。无论是内核出现问题（异常），还是因为存在其他比当前正在执行的程序的优先级更高的事件发生（外部中断），都会打断当前运行的程序，去处理更加重要的事。

毕竟，机器的运算速度再快，处理事件也有先后之分不是？

接下来，让我们再次回到刚刚那个场景，考虑下面两种情况：

1、当正在吃饭的时候，你忽然想去WC解决下个人问题。这时你会停止恰饭这个动作，然后去WC解决完再回来继续吃饭。吃完饭才会继续

2、当正在吃饭的时候，你收到快递小哥的短信，告诉你丰巢的验证码可以去取的时候。你肯定会先恰完饭，然后去取完快递之后（也可能先在那放着先不取）再回房间敲代码。

对于情况1而言，为了避免某些比较尴尬的事情发生，先去WC再回来吃饭几乎是必然选择。因为它比吃饭紧急。而对于情况2取快递，相对来说没那么急迫的需求，所以一般而言我们都会先吃完饭，再去拿快递，最后再回房间敲代码。

当然如果要敲的代码比较着急，那么拿快递这件事自然就得等到我们敲完代码先啦。

从上面两个常见的场景中，我们很容易发现中断是可以嵌套的，且它有一定的优先级概念。

很显然，我们的日常生活中也会有许多中断事件。我们人脑是怎么处理它们的？认真思考下下不难发现，其实对于很多事件，我们早就给它们定义了优先级。而定义这些事件的优先级并严格执行的就是我们的大脑。

对于 CPU来说也一样。当中断事件很少的时候，不需要分门别类的整理，直接比较判断优先级就可以了。

而对于中断事件较多的复杂系统，对于事件的分组和优先级设置也就成了刚需。

下面我们以stm32f10x的中断系统为例，展开学习。

stm32中的中断设置

我们知道，stm32用的是cortex-M3内核。

而CM3内核支持256个中断，256级可编程设置（即优先级设置），其中：

• 内核中断16个
• 外设中断240个

但stm32并没有把CM3内核的设置全部用上。
它仅有84个中断，16级可编程设置，其中：

• 内核中断16个
• 外设中断68个

且以上配置属于stm32中的顶配，具体到 f103系列只有：

• 内核中断16个
• 外设中断44个

小结下以上的数据，可以发现，实际中断事件的多少取决于芯片的定位。高端的，即外设多的，芯片中断必然多，反之必然少。

NVIC

而要处理那么多的中断事件，CM3内核给出的解决方案是——用NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)嵌套向量中断控制器控制。

NVIC首先定义了一段地址区域（一般从0地址开始）用于存放中断事件服务函数的地址。定义的这段地址就称为中断向量表。

以上是从《stm32f10x 中文参考手册》中截来。

可以看到它一个地址对应着一个中断事件，其中灰色部分是内核相关的中断的位置。每当一条指令执行完之后，系统都会检查一遍看看有没有中断事件发生。如果有的话，就会在中断向量表中找到对应的中断事件，执行中断事件所在地址指向的函数（即中断函数）。

也就是因为中断事件所在的地址存的是一个地址，它指向的是该中断对应发生的事件（函数）。所以其实中断向量表这个名字起得很符合它的实际含义——表里的是一个个有指向的值。

至于定义这些中断事件的优先级和它们具体是干嘛的，NVIC把设置的权利交给了开发者，它只给了可以完成相关操作的寄存器组。

从固件库头文件：core_cm3.h中，我们可以找到以上NVIC的寄存器组映射。

其中如果我们使用寄存器编程的话，最关心的寄存器一般是：

• ISER：Interrupt Set Enable Register，中断使能设置寄存器
• ICER：Interrupt Clear Enable Register，中断使能清除寄存器
• IP：Interrupt Priority Register，中断优先级寄存器

在这里面，中断优先级寄存器是需要我们着重研究的。有意思的是，固件库命名的时候对于该寄存器的简写直接只用IP，而不是IPR，害我一度怀疑这两是不是同一个东西。直到我去查了手册才验明了“真身”。

IPR中断优先级寄存器

原CM3设计中，NVIC_IPRx用于配置外部中断的优先级。IPR宽度为8bit，理论上可以配置的优先级为0~255，数值越小优先级越高。但和大多数CM3芯片都会精简设计一样，stm32也做了相关的精简设计，只使用高4bit。也就是说，实际上stm32允许配置的优先级只有16个

抢占优先级与子优先级

CM3把优先级划分成了抢占优先级和子优先级（又叫响应优先级）。即，对于同一个中断事件，他有抢占优先级和子优先级两个优先级。

为什么要这么设置？

因为如果只是简单的只有一种优先级的话，太过粗线条了。像CM3内核设置最多有256级，即使是stm32也有16级，级数太多，没有主次不方便使用和管理。

类比到我们平时生活中的状态，就像社会上有256个人，每个人都不同级别一样，估计你会眼花缭乱。而解决这个问题的方法就是那就是把这256级中断归类分层，层级内再分子级的分层管理形式，达到压缩层级的效果。 如先分统治阶层、奴隶主、奴隶等，同一阶层再区分小级别。

对应于中断分组就是，把256级优先级根据本工程的需求，先规定了中断层数(即：抢占优先级)和每层有多少小级别个数。

这样抢占优先级和子优先级的概念引进我们就完全可以理解了。

抢占优先级 与 子优先级 比较

只有当抢占优先级相同的时候，子优先级才会发挥作用。若子优先级也相同，就去比较两个外设的硬件中断编号，即该中断在中断向量表中的位置，同样是编号越小，优先级越高原则。

值得注意的是 抢占优先级 与 子优先级 还有些许差别：

• 抢占优先级：无关中断产生的先后，只比较优先级的高低。优先级高的中断信号即使比中断优先级低的中断信号后到，也可以直接中断优先级低的事件直接抢占系统资源。
• 子优先级：当两个中断信号有相同的抢占优先级，分两种情况考虑：
  • 两个信号同时到达，子优先级高的中断先响应。
  • 子优先级低的中断事件正在发生，子优先级高的中断信号刚到时，需要等到当前中断完成后，在执行玩到的中断信号。

中断分组

从前面的讨论中我们可以知道，为了中断更加可控，CM3内核做了两种优先级的分层机制。

但是对于不同的需求，我们对于阶层和小阶级的数量要求也是不同的。以身份证为例，在发放身份证之前，我们要总体考虑全国要分多少个区域，然后确定地区需要设置几位数才够。熟悉计算机网络的朋友可以发现，这里其实和子网划分是一个道理。

到这里，我们也可以看到，在一个工程中，我们一般只会设置一次，且每次只设置一个分组。还是拿身份证举例，你不可能前一秒还说身份证前3位表示A省，下一秒就说前4位表示B省吧？编码格式统一是一切的基础。

所以，我们平时在设置分组时，若不是非常特殊的需求

一个工程只设置一次分组!!!

一个工程只设置一次分组!!!

一个工程只设置一次分组!!!

重要的事情说三遍。。。

这个分组管理的设置由内核外设SCB_AIRCR（应用程序中断及复位控制寄存器）的prigroup[10:8]控制。

因为它通过3个bit控制，所以理论上可以分成8组（0~7组），其中每组可设置的抢占优先级和子优先级的位数是不同的。

如上图，可以看到它随着组号的增大，抢占优先级可设置的位越少，子优先级越多。

上面这种分组是针对IPR里8bits都用上的情况设计的。而我们知道，stm32的NVIC是CM3的NVIC的子集，只用了IPR的高4bits，所以分组自然而然就少了。

有了以上的原理性认知，我们终于进入到轻松愉快的编程配置环节~~~

配置要点

根据前面叙述的内容，辅以一些额外资料（诸如各种官方文档），我们可以得出以下配置流程：

• 使能某个的中断
• 中断分组
• 初始化NVIC_InitTypeDef 结构体
  • 设置中断源
  • 设置抢占优先级和子优先级
  • 配置中断使能/失能
• 编写中断服务函数（就是这个中断发生后，告诉机器去干嘛）

上面流程中提到的NVIC_InitTypeDef结构体，就是这哥们儿：

它跟NVIC_Type结构体的区别在于，NVIC_Type只是寄存器组的映射，而NVIC_InitTypeDef是固件库抽象提炼出来帮助我们简化配置流程用的。

下面，我们用一个实例体会下上述过程。

EXTI

EXTI（External interrupt/event controller）—外部中断/事件控制器，用于管理了控制器的 20个中断/事件线（互联型才有20根，其他类型只有19根）。

NVIC与EXTI的关系

我们先来理一理这东西跟NVIC的关系：

1. NVIC是CM3内核的东西，它用于整个芯片的中断控制。而EXTI是ST公司设计用于控制外设的。它不是内核里面的东西。
2. EXTI通过魔改引出NVIC中的20根中断信号线，对外设事件的控制能力进一步加强了。

在这里，我们先理清三个概念：

• 事件
• 中断
• 中断事件

比如一老师在教室里给学生们上课。课堂上的学生可能做出各种行为动作，比方做笔记、打哈气、翻书包、讲小话等，我们把这些行为统称为事件，其中有些行为老师往往只是视而不见，继续他的上课；而有些行为可能导致老师的上课中止，比方讲小话，并对学生的相关行为予以警告、批评或纠正等，然后继续上课。我们把老师因为学生的某些行为而中止授课，并产生后续动作，之后接着上课的这个过程理解为中断或中断响应。我们把可能导致老师上课中断的学生行为理解为中断事件。

EXTI框图理解

下面，我们结合EXTI的框图理解上述概念。

首先，我们先对整个框图有个大概的认知：

• 绿色+红色部分：跟外设连接在一起。绿色部分用于和蓝色部分信息交互，红色部分用于传输事件信号。
• 蓝色部分：寄存器组，用于控制事件信号的采集和走向。
• 黄色部分：两个输出端。用于事件信号的输出，中断信号去NVIC，非中断信号用于其他外设（如:DMA，DMA相关内容，在后续文章会详细说明）。

EXTI 可分为两大部分功能，一个是产生中断，另一个是产生事件，这两个功能从硬件上就有所不同。

信号产生过程

下面我们来分析下这两者的产生过程。

如上图，信号首先会经过边沿检测电路，这个检测电路会通过查看 上边沿触发 和下边沿触发 寄存器的值，去判断信号到底在哪个边沿采集。（所谓上边沿和下边沿，即电平从低->高 or 从高->低 变化时的那条竖直的边）

经过边沿检测电路之后，就来到上图中3的位置。这里是个或门连接着输入信号和软件中断事件寄存器。也就是说，除了信号触发中断，我们还可以控制相关的寄存器从而产生中断事件。

过了步骤3或门这一步之后，产生中断和产生事件的流程就有所区别了。

我们先来看看中断的产生过程：

首先中断请求信号会先进入 请求挂起寄存器 。这个寄存器的存在意义在于，如果中断发生时，正在处理同级或高优先级中断，则中断不能立即得到响应，此时中断被悬起。悬挂意味着等待而不是舍去，当优先级高的或者同等级先发生的中断完成后，被挂起的中断才会执行。

落实到stm32这里，可以看到在标号4的位置，是一个与门，所以，中断请教什么时候推送到NVIC控制器执行，就是中断屏蔽寄存器应该控制的事了。

同理，对于事件发生来说，事件是否生成，就是事件屏蔽寄存器的事了。不同点在于，事件的产生没有优先级的概念，所有无需挂起寄存器这么个东西。

代码示例

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未完待续~

参考资料

关于STM32中断优先级分组的科普，初学者常见问题解答

STM32的“外部中断”和“事件”区别和理解

浅谈中断挂起与中断标志的区别