中断机制及NVIC管理解析
1. 什么是中断？
中断（Interrupt） 是一种计算机系统中的重要机制，允许CPU在执行主程序的过程中，能够对外部或内部的特定事件作出快速响应。当中断发生时，CPU暂停当前的任务，转而执行对应的中断服务函数（ISR, Interrupt Service Routine），处理完毕后再恢复到原任务继续执行。
中断的作用是提高系统的响应速度和实时性，避免采用轮询（Polling）方式带来的CPU资源浪费。
2. 中断执行机制
中断的执行流程如下：
- 中断事件发生：可能来自外部设备（如串口、定时器、GPIO 触发）或内部异常（如除零错误）。
- NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）检测：NVIC 负责管理 Cortex-M4 的中断控制，包括优先级排序和嵌套处理。
- CPU 保存上下文：CPU 保留当前指令地址（PC）、状态寄存器（xPSR）及相关寄存器。
- 跳转到中断向量表（Vector Table）：根据中断编号，跳转至相应的 ISR 处理函数。
- 执行 ISR：处理中断源的相关逻辑，如清除标志位、读取数据等。
- 恢复上下文：恢复寄存器数据，继续执行原来的主程序。
3. 普通函数执行与中断服务函数执行的区别
| 普通函数 | 中断服务函数 |
|---|---|
| 通过函数调用执行 | 由硬件或软件事件触发 |
| 需要手动调用 | 由 CPU 自动调用 |
| 运行在主程序上下文 | 运行在中断上下文 |
| 可以有返回值 | 不能有返回值 |
可使用 while(1) 等循环 | 需尽快执行完毕，避免阻塞主程序 |
中断函数必须尽量精简，避免占用 CPU 过多时间，否则会影响系统的实时性。
4. NVIC（中断管理控制器）
Cortex-M4 内核的 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller） 负责管理所有外部和内部中断，包括中断的使能、优先级管理以及嵌套控制。
在 STM32F4 系列中，NVIC 相关寄存器如下：
- NVIC_ISERx（中断使能寄存器）
- NVIC_ICERx（中断清除寄存器）
- NVIC_ISPRx（中断挂起寄存器）
- NVIC_ICPRx（中断清除挂起寄存器）
- NVIC_IABRx（中断活动状态寄存器）
- NVIC_IPRx（中断优先级寄存器）
示例：使能 USART2 中断并配置优先级
c
复制
#define USART2_IRQn 38 // USART2 中断号
void NVIC_Configuration(void)
{
NVIC->ISER[USART2_IRQn / 32] = (1 << (USART2_IRQn % 32)); // 使能 USART2 中断
NVIC->IP[USART2_IRQn] = (3 << 4); // 设置优先级为3（较低）
}
5. 什么时候使用中断？
一般情况下，我们会在以下场景使用中断：
-
被动事件触发（不适合轮询方式）
- 串口数据接收（UART RX）
- 外部按键按下（GPIO 外部中断）
- 传感器数据更新（I2C/SPI）
-
系统定时控制
- 定时器溢出中断（Timer Overflow）
- 任务切换（RTOS SysTick）
-
高优先级任务
- 硬件异常（HardFault, BusFault）
- DMA 传输完成（DMA Transfer Complete）
示例：配置 GPIO 外部中断
c
复制
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
if (EXTI->PR & (1 << 13)) // 读取中断挂起标志位
{
EXTI->PR = (1 << 13); // 清除标志位
GPIOB->ODR ^= (1 << 0); // 切换 LED 状态
}
}
6. 中断优先级
6.1 优先级比较
Cortex-M4 中断优先级分为抢占优先级（Preemptive Priority）和响应优先级（Sub Priority）：
- 抢占优先级：决定是否能打断当前正在执行的中断
- 响应优先级：决定多个相同抢占优先级的中断在同时到达时的处理顺序
优先级越小，优先级越高。例如：
- 抢占优先级 0 > 1 > 2
- 响应优先级 0 > 1 > 2（在相同抢占优先级下）
6.2 优先级分组计算公式
STM32F4 允许我们通过 AIRCR（Application Interrupt and Reset Control Register） 配置优先级分组，计算公式如下：
复制
优先级分组编码值 = 7 - 抢占优先级位数
示例：
- NVIC_PriorityGroup_0（7-0=7）：全部 4 位用于响应优先级
- NVIC_PriorityGroup_4（7-4=3）：4 位用于抢占优先级，仅 0 位用于响应优先级
配置代码：
c
复制
void NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t priority_group)
{
SCB->AIRCR = (0x5FA << 16) | (priority_group << 8); // 设置优先级分组
}
7. 中断的具体配置
7.1 分组
c
复制
NVIC_SetPriorityGrouping(3); // 选择合适的优先级分组
7.2 配置具体中断源
c
复制
NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 2, 1); // 设置 USART2 中断的优先级
7.3 使能 NVIC
c
复制
NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn); // 使能 USART2 中断
8. 中断服务函数（ISR）
8.1 ISR 的特点
- 无返回值 (
void) - 函数名固定，需符合
IRQHandler格式 - 尽量简短，避免执行耗时操作
8.2 ISR 格式
c
复制
void USART2_IRQHandler(void)
{
if (USART2->SR & USART_SR_RXNE) // 判断 RXNE 标志位（接收非空）
{
char data = USART2->DR; // 读取数据
USART2->DR = data; // 回显
}
}
9. 总结
- 中断是 CPU 处理异步事件的关键机制，适用于被动触发的事件。
- NVIC 提供了中断管理功能，包括优先级控制和中断使能。
- STM32F4 允许我们配置抢占优先级和响应优先级，根据应用需求设定分组。
- ISR 需要尽量短小高效，避免影响系统性能。
通过合理配置中断，可以让系统更加高效、实时响应外部事件。