STM32单片机中断机制揭秘：NVIC和SysTick深入剖析

# 1. STM32中断机制概览**

STM32单片机采用嵌套向量中断控制器（NVIC）和系统滴答定时器（SysTick）实现中断机制。NVIC负责管理中断优先级、向量表和中断处理，而SysTick则提供精确的定时中断。

中断机制是STM32单片机的重要组成部分，它允许外部事件或内部操作触发中断处理程序，从而实现对事件的快速响应。中断处理程序可以执行特定的任务，例如处理外部中断、更新数据或控制外设。

# 2. NVIC中断控制器

### 2.1 NVIC结构与配置

#### 2.1.1 NVIC寄存器概述

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）是STM32单片机中断控制器的核心，负责管理和处理所有中断请求。NVIC寄存器位于STM32的系统控制外设（SCB）中，主要包括：

- **ISERx（中断使能寄存器）：**用于使能或禁止特定中断源。
- **ICERx（中断禁止寄存器）：**用于禁止特定中断源。
- **ISPRx（中断挂起寄存器）：**用于挂起或解除挂起特定中断源。
- **ICPRx（中断清除寄存器）：**用于清除特定中断源的挂起状态。
- **IPRxy（中断优先级寄存器）：**用于配置特定中断源的优先级。

#### 2.1.2 中断优先级配置

NVIC支持中断优先级配置，允许开发者根据中断的重要性设置中断处理顺序。STM32的NVIC支持4位优先级，共16个优先级等级（0-15）。优先级较高的中断源将优先于优先级较低的中断源处理。

中断优先级配置通过IPRxy寄存器进行，其结构如下：

IPRxy = [PRI_n:0]

其中，PRI_n:0表示中断源n的优先级，范围为0-15。

### 2.2 中断向量表

#### 2.2.1 向量表地址和结构

中断向量表是存储中断处理函数地址的数组，当发生中断时，NVIC会自动跳转到向量表中相应的中断处理函数处。STM32的向量表位于SRAM的起始地址（通常为0x0000 0000）。

向量表结构如下：

| 向量表地址 | 中断源 | 中断处理函数地址 |
|---|---|---|
| 0x0000 0000 | 复位中断 | Reset_Handler |
| 0x0000 0004 | 非屏蔽中断 | NMI_Handler |
| 0x0000 0008 | 硬故障中断 | HardFault_Handler |
| ... | ... | ... |
| 0x0000 0FFF | 最后一个中断 | Last_Handler |

#### 2.2.2 中断处理函数

中断处理函数是响应特定中断源的中断服务例程。中断处理函数的名称必须以"Handler"结尾，并且必须符合以下格式：

void Handler_Name(void)
{
    // 中断处理代码
}

中断处理函数中应包含中断处理逻辑，例如读取中断标志寄存器、清除中断挂起状态、执行中断处理操作等。

# 3. SysTick定时器

### 3.1 SysTick寄存器与配置

#### 3.1.1 SysTick寄存器概述

SysTick定时器是STM32单片机中集成的16位可编程定时器，主要用于系统定时和延时操作。其寄存器组位于SCB（系统控制块）中，包括以下寄存器：

- **SysTick_CSR**：控制和状态寄存器，用于控制定时器的配置和状态。
- **SysTick_RVR**：重载值寄存器，用于设置定时器的重载值。
- **SysTick_CVR**：当前值寄存器，用于读取定时器的当前值。
- **SysTick_CALIB**：校准值寄存器，用于校准定时器的时钟频率。

#### 3.1.2 定时器配置与启动

配置SysTick定时器需要以下步骤：

1. **设置重载值：**通过写入SysTick_RVR寄存器设置定时器的重载值，即定时器计数到0后重新加载的值。
2. **使能定时器：**通过设置SysTick_CSR寄存器的ENABLE位使能定时器。
3. **选择时钟源：**通过设置SysTick_CSR寄存器的CLKSOURCE位选择定时器的时钟源，可以是系统时钟或外部时钟。
4. **设置中断：**通过设置SysTick_CSR寄存器的TICKINT位使能定时器中断。

// 配置SysTick定时器
void SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
    // 设置重载值
    SysTick->LOAD = ticks - 1;
    // 使能定时器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    // 选择时钟源为系统时钟
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk;
    // 使能中断
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;
}

### 3.2 SysTick中断处理

#### 3.2.1 中断处理函数

SysTick定时器中断处理函数通常定义为`SysTick_Handler`，在中断发生时执行。该函数可以执行以下操作：

- 清除中断标志位
- 执行定时器相关操作（例如更新计数器、触发事件等）
- 执行用户自定义代码

// SysTick中断处理函数
void SysTick_Handler(void)
{
    // 清除中断标志位
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk;
    // 执行定时器相关操作
    // 执行用户自定义代码
}

#### 3.2.2 定时器中断应用

SysTick定时器中断可以用于多种应用，包括：

- **系统定时：**提供精确的系统定时，用于调度任务或测量时间间隔。
- **延时操作：**通过等待SysTick中断发生来实现延时操作。
- **PWM输出：**通过周期性更新SysTick_RVR寄存器来实现PWM输出。
- **时钟校准：**通过测量SysTick中断的频率来校准系统时钟。

# 4. STM32中断机制实践**

**4.1 中断配置与处理示例**

**4.1.1 外部中断配置**

外部中断是STM32中断机制中常用的中断类型，用于响应外部事件。以GPIO中断为例，配置外部中断需要以下步骤：

1. **配置GPIO引脚为中断模式：**

// 使能GPIO时钟
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

// 设置GPIO引脚为输入模式
GPIOA->MODER &= ~(GPIO_MODER_MODER0);

// 设置GPIO引脚为中断模式
GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPDR0_1;

2. **配置NVIC中断控制器：**

// 设置中断优先级
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2);

// 使能中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

3. **编写中断处理函数：**

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

**4.1.2 定时器中断配置**

定时器中断是STM32中断机制中另一种常用的中断类型，用于产生周期性中断。以TIM2定时器为例，配置定时器中断需要以下步骤：

1. **配置定时器：**

// 使能TIM2时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

// 设置定时器参数
TIM2->PSC = 1000 - 1;  // 分频系数
TIM2->ARR = 1000 - 1;  // 自动重装载值

2. **配置NVIC中断控制器：**

// 设置中断优先级
NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1);

// 使能中断
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

3. **编写中断处理函数：**

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

**4.2 中断嵌套与优先级管理**

**4.2.1 中断嵌套机制**

中断嵌套是指在中断处理过程中又发生新的中断。STM32中断机制支持中断嵌套，但嵌套层数有限。嵌套层数由NVIC中的ISER寄存器控制，每个中断向量都有一个对应的ISER位。

**4.2.2 中断优先级管理**

中断优先级用于确定当多个中断同时发生时，哪个中断优先处理。STM32中断机制采用优先级抢占式调度算法，即优先级高的中断可以打断优先级低的中断。中断优先级由NVIC中的IPR寄存器控制，每个中断向量都有一个对应的IPR位。

**优先级管理示例：**

假设有外部中断和定时器中断，且外部中断优先级高于定时器中断。当外部中断发生时，即使定时器中断正在处理，外部中断也会打断定时器中断，优先执行外部中断处理。

# 5. STM32中断机制优化

### 5.1 中断响应时间优化

**5.1.1 中断向量表优化**

中断向量表是中断处理程序的入口点，其优化可以减少中断响应时间。优化方法包括：

- **使用汇编代码实现向量表：**汇编代码比C语言代码执行速度更快，因此使用汇编代码实现向量表可以缩短中断响应时间。
- **将向量表放置在高速存储器中：**中断向量表通常存储在Flash存储器中，而高速存储器（如SRAM）访问速度更快。将向量表放置在高速存储器中可以减少中断响应时间。

**5.1.2 中断处理函数优化**

中断处理函数是中断响应过程中的关键部分，其优化可以减少中断响应时间。优化方法包括：

- **尽量减少中断处理函数中的代码量：**中断处理函数中的代码量越大，中断响应时间就越长。因此，应尽量减少中断处理函数中的代码量，只执行必要的任务。
- **使用内联函数：**内联函数可以在编译时直接插入到调用它的代码中，避免函数调用的开销。在中断处理函数中使用内联函数可以减少中断响应时间。
- **避免使用浮点运算：**浮点运算比整数运算耗时更长。在中断处理函数中避免使用浮点运算可以减少中断响应时间。

### 5.2 中断能耗优化

**5.2.1 中断唤醒优化**

当STM32处于低功耗模式时，中断可以唤醒MCU。优化中断唤醒可以减少功耗。优化方法包括：

- **使用低功耗中断源：**一些中断源在唤醒MCU时功耗较低。例如，外部中断源在唤醒MCU时功耗比定时器中断源低。
- **使用中断屏蔽：**当不需要中断时，可以屏蔽中断以减少功耗。

**5.2.2 中断退出优化**

当中断处理完成后，MCU需要退出中断模式。优化中断退出可以减少功耗。优化方法包括：

- **使用中断返回指令：**中断返回指令可以快速退出中断模式，减少功耗。
- **避免使用中断嵌套：**中断嵌套会增加退出中断模式的开销，从而增加功耗。因此，应尽量避免使用中断嵌套。