STM32中斷系統-有解無憂

10.1 Cortex-M3 的中斷和優先級

正常情況下，微處理器根據代碼內容，按順序執行指令，執行程序中，如果遇到其它緊急的事件需要處理，則先暫停當前任務，執行緊急事件，待緊急事件處理完后，再恢復到剛才暫停的地方繼續執行，這個產生的緊急事件就叫做中斷或例外，如圖 10.1.1 所示，

通常，把CPU內部產生的緊急事件叫做例外，比如非法指令（除零）、地址訪問越界等；把來自CPU外部的片上外設產生的緊急事件叫做中斷，比如GPIO引腳電平變化、定時器溢位等，例外和中斷的效果基本一致，都是暫停當前任務，優先執行緊急事件，因此一般將中斷和例外統稱為中斷，

ARM公司設計了Cortex-M3內核，這個內核就包含了中斷系統框架，對應資料“2_官方資料\10.0_CortexM3權威指南.pdf”，后簡稱《CM3權威指南》，

ST公司根據該內核，因地制宜的設計了STM32系列產品，對應資料“2_官方資料\3_STM32F10xx Cortex-M3編程手冊.pdf”，后簡稱《CM3編程手冊》，

《CM3權威指南》講解的是Cortex-M3內核的整個體系，例如指令集、例外、MPU等，《CM3編程手冊》中則是關于STM32F10/20/21/L1系列使用到的Cortex-M3的內容，換句話說《CM3編程手冊》是《CM3權威指南》的一個子集，本章內容就是參考這兩個手冊，對于本章沒提到的內容，讀者可自行閱讀這兩個手冊擴展學習，

Cortex-M3內核有256種例外和中斷，其中編號1_{15是系統例外，16}256是外部中斷，如下表 10.1.1 所示，

如此多的中斷，導致了一些新問題，比如兩個中斷同時發生，應該先執行哪個中斷任務？又比如一個中斷發生了，又來了一個更緊急的中斷，是該繼續執行原來的中斷，還是執行新的緊急中斷？

針對這些問題，Cortex-M3內核有一個專門管理中斷的外設NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器），通過優先級控制中斷的嵌套和調度，NVIC是一個總的中斷控制器，無論是來在內核的例外還是外設的外部中斷，都由NVIC統一進行管理，

上表 10.1.1 中，Reset（復位）、NMI（Non Maskable Interrupt，不可屏蔽中斷）、HardFault（硬體例外）的優先級是固定的，且優先級是負數，也就是最高的（優先級數字越小，優先級越高），剩下的例外或中斷，都是可以通過修改NVIC的暫存器調整優先級（但不能設定為負數），NVIC作為在內核里的外設，也是通過存盤器映射的方式訪問，對應表 6.1.1 中的Block7，

在Cortex-M3中，將優先級拆分為搶占優先級（Preempt Priority）和子優先級（Subpriority），每個中斷都需要指定這兩級，具有高優先級的中斷可以打斷低優先級的中斷，實作中斷嵌套，

通過應用中斷和復位控制暫存器（Application Interrupt and Reset Control Register，AIRCR）的Bits[10:8]（PRIGROUP）將優先級分組，分組決定每個可編程中斷的PRI_n的Bits[7:0]的高低位分配，從而影響搶占優先和子優先級的級數，兩者關系如表 10.1.2 所示，

舉個例子，假設將優先級分組（PRIGROUP）設定為2，此時每個中斷可設定搶占優先級范圍為0-32，子優先級范圍為0-8，即某中斷的搶占優先級為2，子優先級為3，

所有可編程的中斷都需要指定搶占優先級和子優先級，搶占優先級決定是否可以產生中斷嵌套，子優先級決定中斷回應順序，若兩種優先級一樣則看中斷在中斷例外表中的位置，越靠前越先回應，

搶占優先級高（值小）的中斷可以中斷搶占優先級低（值大）的中斷處理函式，進而執行高優先級的中斷處理函式，執行完畢后再繼續執行被中斷的低優先級的處理函式，

當兩個中斷的搶占優先級相同時，即這兩個中斷將沒有嵌套關系，當一個中斷到來后，若此時CPU正在處理另一個中斷，則這個后到來的中斷就要等到前一個中斷處理函式處理完畢后才能被處理，當這兩個中斷同時到達，則中斷控制器會根據它們的子優先級決定先處理哪個，

如果兩個中斷的優先級都設定為一樣了，那么誰先觸發的就誰先執行；如果是同時觸發的，那么就根據中斷例外表的位置（靠前）來決定誰先執行，

在大概了解Cortex-M3內核的例外和中斷及其優先級之后，再來看看STM32對Cortex-M3的這些例外和中斷做了哪些裁剪，又有何特點，

10.2 STM32 的中斷和優先級

由表 10.1.1 可知，Cortex-M3設計有256種中斷，但大多數MCU都用不到這么多中斷，比如STM32F103系列就只有70種例外和中斷，其中前10個是系統例外，后面60個是外部中斷，如下表 10.2.1 所示，

在HAL庫啟動檔案“startup_stm32f103xe.s”，可以看到定義的中斷向量表，如代碼段 10.2.1 所示，

代碼段 10.2.1 STM32F103xE 中斷向量表（startup_stm32f103xe.s）

__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
; External Interrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7
DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2
DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX
DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0
DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1
DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture Compare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10
DCD RTC_Alarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspend
DCD TIM8_BRK_IRQHandler ; TIM8 Break
DCD TIM8_UP_IRQHandler ; TIM8 Update
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ; TIM8 Trigger and Commutation
DCD TIM8_CC_IRQHandler ; TIM8 Capture Compare
DCD ADC3_IRQHandler ; ADC3
DCD FSMC_IRQHandler ; FSMC
DCD SDIO_IRQHandler ; SDIO
DCD TIM5_IRQHandler ; TIM5
DCD SPI3_IRQHandler ; SPI3
DCD UART4_IRQHandler ; UART4
DCD UART5_IRQHandler ; UART5
DCD TIM6_IRQHandler ; TIM6
DCD TIM7_IRQHandler ; TIM7
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End

可以看到第2~16行，為10個系統例外，剩下的全為外部中斷，同時這里還定義了所有的中斷處理函式名字，當外設產生中斷時，則跳到中斷向量表中對應中斷處理函式位置，比如發生RTC中斷事件，則跳到22行執行“RTC_IRQHandler()”函式內容，

STM32F103的例外和中斷，基于Cortex-M3修改而來，前面的系統例外部分幾乎沒有變化，外部中斷則對應不同的外設，

同樣，STM32F103也繼承了Cortex-M3的中斷優先級規則，因為中斷少了很多，中斷優先級也用不了那么多，只使用了PRI_n的Bits[7:0]中的Bits[7:4]設定優先級，因此優先級分組為表 10.2.2 所示，

表 10.2.2 STM32F103 優先級分組

可見STM32F103系列最多有16級可編程優先級，STM32F103不使用PRIGROUP來命名分組，而采用NVIC_PRIORITYGROUP_x 的方式命名，即 NVIC_PRIORITYGROUP_0 對應 PRIGROUP 為 7 ，在“stm32f1xx_hal_cortex.h”有相關定義，如代碼段 10.2.2 所示，

代碼段 10.2.2 優先級分組定義（stm32f1xx_hal_cortex.h）

/** @defgroup CORTEX_Preemption_Priority_Group CORTEX Preemption Priority Group
* @{
*/
#define NVIC_PRIORITYGROUP_0 0x00000007U /*!< 0 bits for pre-emption priority
4 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_1 0x00000006U /*!< 1 bits for pre-emption priority
3 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_2 0x00000005U /*!< 2 bits for pre-emption priority
2 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_3 0x00000004U /*!< 3 bits for pre-emption priority
1 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_4 0x00000003U /*!< 4 bits for pre-emption priority
0 bits for subpriority */

通常中斷優先級分組只會設定一次，它針對的是系統中所有的中斷，后續設定某個中斷的中斷優先級時，只需要在這個組規定的搶占優先級數和子優先級級數范圍內分配優先級級數，后續代碼中，不應該再修改中斷優先級分組，否則導致中斷順序不按預期觸發，本手冊所有實驗，將設定中斷優先級分組放在了“HAL_Init()”里，如代碼段 10.2.3 的第5行，呼叫“HAL_NVIC_SetPriorityGrouping()”函式設定中斷優先級分組，

代碼段 10.2.3 設定中斷優先級分組（stm32f1xx_hal.c）

HAL_StatusTypeDef HAL_Init(void) {
……
/* Set Interrupt Group Priority */
HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);
/* Use systick as time base source and configure 1ms tick (default clock after Reset is HSI) */
HAL_InitTick(TICK_INT_PRIORITY);
……
}

這里默認設定的優先級分組為NVIC_PRIORITYGROUP_4，則后續使用“HAL_NVIC_SetPriority()”函式設定優先級時，搶占優先級的范圍是0~15，子優先級的值只能選擇0，

“HAL_NVIC_SetPriority()”函式需要傳入三個引數，引數IRQn是中斷號，如表 10.2.1 所示的中斷號，后兩個是搶占優先級級數和子優先級級數，注意結合中斷分組設定范圍，

代碼段 10.2.4 “HAL_NVIC_SetPriority()”函式原型（stm32f1xx_hal_cortex.c）

/**
* @brief Sets the priority of an interrupt.
* @param IRQn: External interrupt number.
* This parameter can be an enumerator of IRQn_Type enumeration
* (For the complete STM32 Devices IRQ Channels list, please refer to the appropriate CMSIS device file (stm3
2f10xx.h))
* @param PreemptPriority: The preemption priority for the IRQn channel.
* This parameter can be a value between 0 and 15
* * A lower priority value indicates a higher priority
* @param SubPriority: the subpriority level for the IRQ channel.
* This parameter can be a value between 0 and 15
* A lower priority value indicates a higher priority.
* @retval None
*/
void HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)
{
uint32_t prioritygroup = 0x00U;
/* Check the parameters */
assert_param(IS_NVIC_SUB_PRIORITY(SubPriority));
assert_param(IS_NVIC_PREEMPTION_PRIORITY(PreemptPriority));
prioritygroup = NVIC_GetPriorityGrouping();
NVIC_SetPriority(IRQn, NVIC_EncodePriority(prioritygroup, PreemptPriority, SubPriority)); }

【總結】
STM32中斷重點理解中斷優先級分組，然后根據中斷優先級分組確定搶占優先級級數和子優先級級數，體現在編程里，就是根據中斷需求，先使用“HAL_NVIC_SetPriorityGrouping()”函式設定中斷優先級分組，再使用“HAL_NVIC_SetPriority()”函式設定不同中斷的搶占優先級級數和子優先級級數，

假設中斷A的搶占優先級比中斷B的搶占優先級高，兩個中斷同時發生，那么中斷A優先執行，

假設中斷A的搶占優先級和中斷B的搶占優先級一樣，兩個中斷同時發生，那么子優先級高的中斷優先執行，

假設中斷A的搶占優先級比中斷B的搶占優先級高，中斷B先發生，隨后A也發生，那么將暫停中斷B，先執行中斷A，A執行完后，再回來執行中斷B，最后執行主程式，這種效果即中斷嵌套，

假設中斷A的搶占優先級比中斷B的搶占優先級一樣，中斷A的子優先級比中斷B的子優先級高，中斷B先發生，隨后A也發生，那么中斷A將等待中斷B執行完后，才會執行中斷A，即子優先級不能中斷嵌套，

假設中斷A的搶占優先級和中斷B的搶占優先級一樣，且子優先級也一樣，兩個中斷同時發生，那么根據前面表 10.2.1 順序，排在前面的先執行，

總結中斷是否會優先執行依據：首先是搶占先式優先級等級，其次是子優先級等級，只有搶占優先級才可能出現中斷嵌套，

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