STM32中断机制剖析：揭开中断向量表、优先级与处理的秘密

# 1. STM32中断概述**

中断是一种硬件机制，允许外设或事件在处理器执行当前指令时请求处理。在STM32微控制器中，中断系统是一个复杂的体系结构，提供对各种中断源的灵活控制。

中断系统由中断向量表、中断优先级机制和中断处理程序组成。中断向量表存储中断服务程序的地址，中断优先级机制决定中断处理的顺序，而中断处理程序负责处理特定中断。

中断在嵌入式系统中至关重要，因为它允许系统对外部事件或内部状态变化快速响应。通过使用中断，系统可以高效地管理任务，并在需要时立即处理关键事件。

# 2. 中断向量表

中断向量表是存储中断服务程序入口地址的表，当发生中断时，CPU会根据中断号从中断向量表中获取中断服务程序的入口地址，然后跳转到该地址执行中断服务程序。

### 2.1 中断向量表结构

STM32的中断向量表是一个固定大小的数组，其大小为1024字节，位于内存地址0x0000 0000。中断向量表的每一项都对应一个中断号，其中前256项用于处理外部中断，后768项用于处理内部中断。

| 中断号 | 中断源 | 内存地址 |
|---|---|---|
| 0 | 复位 | 0x0000 0000 |
| 1 | NMI中断 | 0x0000 0004 |
| 2 | 硬故障 | 0x0000 0008 |
| ... | ... | ... |
| 255 | 外部中断0 | 0x0000 0100 |
| ... | ... | ... |
| 768 | DMA1流0中断 | 0x0000 0300 |
| ... | ... | ... |
| 1023 | SysTick定时器中断 | 0x0000 03FC |

### 2.2 中断向量表配置

中断向量表的配置可以通过以下步骤进行：

1. 在链接脚本文件中定义中断向量表的起始地址。
2. 在程序中定义中断服务程序。
3. 将中断服务程序的入口地址写入中断向量表。

**代码块 2.1：中断向量表配置示例**

/* 链接脚本文件 */
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 128K
    RAM (rw)   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
}

SECTIONS
{
    .text :
    {
        *(.text*)
    } >FLASH

    .data :
    {
        *(.data*)
    } >RAM

    .bss :
    {
        *(.bss*)
    } >RAM

    .vectors :
    {
        . = ALIGN(4);
        _estack = .;
        *(.vectors*)
    } >FLASH
}

/* 程序代码 */
void HardFault_Handler(void)
{
    // 硬故障处理代码
}

void SysTick_Handler(void)
{
    // SysTick定时器中断处理代码
}

/* 中断向量表 */
__attribute__((section(".vectors"))) const uint32_t vectors[] =
{
    (uint32_t)&_estack,
    (uint32_t)&Reset_Handler,
    (uint32_t)&NMI_Handler,
    (uint32_t)&HardFault_Handler,
    // ...
    (uint32_t)&SysTick_Handler
};

### 2.3 中断向量表重定位

在某些情况下，需要将中断向量表重定位到其他内存地址。这可以通过修改链接脚本文件中的中断向量表起始地址来实现。

**代码块 2.2：中断向量表重定位示例**

/* 链接脚本文件 */
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 128K
    RAM (rw)   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
}

SECTIONS
{
    .text :
    {
        *(.text*)
    } >FLASH

    .data :
    {
        *(.data*)
    } >RAM

    .bss :
    {
        *(.bss*)
    } >RAM

    .vectors :
    {
        . = ALIGN(4);
        _estack = .;
        *(.vectors*)
    } >FLASH AT> 0x08010000
}

通过修改链接脚本文件中的`.vectors`段的`AT`属性，可以将中断向量表重定位到0x0801 0000地址。

# 3.1 中断优先级机制

STM32 中断优先级机制基于嵌套向量中断控制器（NVIC），它为每个中断源分配一个优先级。优先级范围从 0 到 255，其中 0 为最高优先级，255 为最低优先级。

中断优先级机制确保高优先级中断在发生时可以抢占低优先级中断。当两个或多个中断同时发生时，NVIC 会根据它们的优先级决定哪个中断应该被服务。高优先级中断将立即得到服务，而低优先级中断将被延迟，直到高优先级中断处理完成。

### 3.2 中断优先级设置

中断优先级可以通过修改 NVIC 中的寄存器来设置。每个中断源都有一个对应的寄存器，用于设置其优先级。寄存器名称为 `NVIC_IPR<n>`，其中 `<n>` 是中断源的编号。

// 设置中断源 0 的优先级为 3
NVIC_IPR0 = 3;

### 3.3 中断优先级冲突处理

当两个或多个中断具有相同的优先级时，将发生中断优先级冲突。在这种情况下，NVIC 会使用以下规则来确定哪个中断应该被服务：

- 如果中断源位于不同的嵌套向量中断控制器（NVIC）外设，则具有较低编号的中断源将具有更高的优先级。
- 如果中断源位于同一 NVIC 外设，则具有较低编号的中断源将具有更高的优先级。

// 假设中断源 0 和 1 具有相同的优先级
if (NVIC_IPR0 == NVIC_IPR1) {
  // 如果中断源 0 位于较低的 NVIC 外设，则它具有更高的优先级
  if (NVIC_ISER0 & (1 << 0)) {
    // 服务中断源 0
  } else {
    // 服务中断源 1
  }
}

# 4.1 中断处理流程

STM32 中断处理流程主要分为以下几个步骤：

1. **中断请求产生：**当发生中断事件时，相应的外部设备或内部外设会向 CPU 产生中断请求信号。

2. **中断向量定位：**CPU 根据中断请求信号，在中断向量表中查找与该中断事件对应的中断服务程序入口地址。

3. **程序计数器压栈：**CPU 将当前正在执行的指令的地址压入堆栈，以便中断处理完成后返回原程序继续执行。

4. **中断服务程序执行：**CPU 跳至中断服务程序入口地址，开始执行中断服务程序。中断服务程序负责处理中断事件，通常包括读取中断状态寄存器、清除中断标志位、执行必要的处理逻辑等。

5. **中断返回：**中断服务程序执行完成后，CPU 从堆栈中弹出之前压入的程序计数器地址，返回到中断发生前正在执行的指令处，继续执行原程序。

### 中断处理流程图

以下流程图展示了 STM32 中断处理流程：

sequenceDiagram
participant CPU
participant Interrupt Source
CPU->Interrupt Source: Interrupt Request
Interrupt Source->CPU: Interrupt Request Signal
CPU->CPU: Find Interrupt Vector Address
CPU->CPU: Push Program Counter to Stack
CPU->CPU: Jump to Interrupt Service Routine
CPU->CPU: Execute Interrupt Service Routine
CPU->CPU: Pop Program Counter from Stack
CPU->CPU: Return to Original Program

### 中断处理流程示例

以下代码示例展示了 STM32 中断处理流程：

// 中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void) {
  // 读取中断状态寄存器
  if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;
    // 执行中断处理逻辑
    // ...
  }
}

// 主程序
int main(void) {
  // 配置中断向量表
  // ...
  // 使能中断
  __enable_irq();
  // 进入死循环，等待中断发生
  while (1) {
    // ...
  }
}

# 5.1 外部中断应用

外部中断是 STM32 中断系统的重要组成部分，它允许外部设备或事件触发中断。外部中断可以用于各种应用，例如按钮按下检测、传感器数据采集和故障检测。

### 外部中断配置

STM32 的外部中断通过 EXTI（外部中断/事件控制器）模块进行管理。EXTI 模块提供 16 个外部中断线，可以连接到各种外部设备或事件源。

要配置外部中断，需要执行以下步骤：

1. **选择中断线：**确定要使用的外部中断线。
2. **配置中断源：**将外部中断线连接到要检测的事件源。
3. **配置中断触发方式：**选择中断触发方式（上升沿、下降沿、电平触发）。
4. **使能中断：**在 NVIC（嵌套向量中断控制器）中使能外部中断。

### 外部中断服务程序

当外部中断触发时，STM32 会调用相应的外部中断服务程序（ISR）。ISR 是一个函数，用于处理中断事件。

编写 ISR 时，需要考虑以下事项：

* **中断处理逻辑：**ISR 应包含处理中断事件的逻辑。
* **数据保护：**ISR 应保护关键数据，以防止并发访问导致数据损坏。
* **中断返回：**ISR 应以 `__return_from_interrupt()` 指令返回，以安全地退出中断处理。

### 外部中断应用示例

外部中断在各种应用中都有广泛的应用，以下是一些示例：

* **按钮按下检测：**使用外部中断检测按钮按下事件，并执行相应的操作。
* **传感器数据采集：**使用外部中断触发传感器数据采集，并将其存储在缓冲区中。
* **故障检测：**使用外部中断检测系统故障，并触发警报或采取纠正措施。

### 代码示例

以下代码示例展示了如何配置外部中断和编写 ISR：

// 1. 选择中断线
#define EXTI_LINE_0 0

// 2. 配置中断源
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;

// 3. 配置中断触发方式
EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR0;

// 4. 使能中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 外部中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    // 处理中断事件
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {
        // 清除中断标志位
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

        // 执行中断处理逻辑
        // ...
    }
}

# 6.1 中断嵌套

中断嵌套是指在当前中断服务程序执行期间，又发生了新的中断请求。STM32支持中断嵌套，允许高优先级中断打断低优先级中断的执行。

### 中断嵌套机制

STM32的中断嵌套机制由嵌套向量表实现。嵌套向量表是一个额外的中断向量表，用于处理嵌套中断。当发生嵌套中断时，当前中断服务程序的返回地址将被压入嵌套向量表，然后跳转到嵌套中断服务程序。

### 中断嵌套使能

要启用中断嵌套，需要在NVIC的ISER寄存器中设置对应的位。ISER寄存器包含32个位，每个位对应一个中断源。要启用中断源i的嵌套，需要设置ISER寄存器的第i位。

// 启用中断源i的嵌套
NVIC_ISER |= (1 << i);

### 中断嵌套优先级

嵌套中断的优先级由NVIC的IPR寄存器决定。IPR寄存器包含32个位，每个位对应一个中断源。IPR寄存器的值决定了中断源的优先级，值越大，优先级越高。

当发生嵌套中断时，高优先级中断将打断低优先级中断的执行。如果两个中断的优先级相同，则先发生的嵌套中断将被先执行。

### 中断嵌套示例

以下代码示例演示了中断嵌套：

void EXTI0_IRQHandler(void) {
  // 处理外部中断0
  // ...

  // 触发嵌套中断
  NVIC_SetPendingIRQ(TIM2_IRQn);
}

void TIM2_IRQHandler(void) {
  // 处理定时器2中断
  // ...
}

在这个示例中，外部中断0的中断服务程序触发了定时器2的中断。由于定时器2的中断优先级高于外部中断0，因此定时器2的中断将打断外部中断0的中断服务程序的执行。