避免优先级反转：STM32 NVIC中断优先级深入分析


# 摘要
本文全面介绍了STM32微控制器的中断系统，从中断优先级的基础知识到优先级反转及其避免策略。首先，阐述了中断优先级的概念及其在STM32中的配置方法，包括优先级寄存器的结构和配置步骤。接着，深入分析了优先级反转现象，包括其定义、成因、影响和案例分析。为了应对优先级反转，探讨了优先级天花板协议、优先级继承协议以及实时操作系统中的策略。实践操作章节演示了如何使用STM32CubeMX工具配置中断优先级，并测试验证了避免优先级反转的策略。最后，讨论了中断优先级在多核心处理器和安全关键系统中的高级应用，强调了在复杂系统中优化中断优先级对实时性能和系统稳定性的重要性。

# 关键字
STM32；中断优先级；NVIC；优先级反转；优先级天花板协议；实时操作系统(RTOS)

参考资源链接：[基于STM32CubeMX的NVIC中断及异常处理讲解及例程](https://wenku.csdn.net/doc/646d800e543f844488d759d7?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32中断系统概述

STM32作为广泛使用的32位微控制器，其强大的中断系统是实现高效实时任务调度的关键。中断系统允许微控制器响应外部或内部事件，并且能够在短时间内做出处理。了解STM32中断系统，对于设计可靠和高性能的应用至关重要。

## 1.1 STM32中断基础

STM32中断系统是基于嵌套向量中断控制器(NVIC)构建的，它支持多达240个中断通道，包括外部中断线和内部中断源。每个中断通道都有唯一的中断号，并且可以独立地被屏蔽或使能。

## 1.2 中断向量表

当中断发生时，处理器首先查找中断向量表来确定中断服务程序的位置。STM32的中断向量表是一个包含中断处理函数地址的列表，位于固定的内存位置，即从0x0000_0000地址开始。

## 1.3 中断优先级

STM32支持中断优先级配置，通过分配优先级，可以决定同时发生多个中断时，哪些中断先被处理。优先级的配置对于保证系统按照预期运行，尤其是在资源有限的实时系统中，显得尤为重要。

以上是STM32中断系统的基础知识，为了深入理解，我们需要进一步探讨中断优先级的配置以及其在实际系统中可能出现的问题和解决策略。第二章将详细阐述中断优先级的基础知识和配置方法，帮助读者构建更加稳健的STM32应用。

# 2. NVIC中断优先级的基础知识

### 2.1 中断优先级的基本概念

#### 2.1.1 中断优先级的定义
在多任务实时操作系统中，中断服务程序的响应顺序和重要性是至关重要的。中断优先级是指中断请求按照紧急程度进行排序的机制。在STM32微控制器中，每个中断源都有一个与之关联的优先级，这个优先级决定了在发生多个中断请求时，哪个中断请求应该首先得到响应。

中断优先级可以是固定或可变的。在某些系统中，中断优先级是编译时决定的，并在系统运行期间保持不变。在其他系统中，包括STM32，可以在运行时动态地改变中断优先级，这提供了更大的灵活性来处理各种事件。

#### 2.1.2 中断优先级与中断系统的关系
中断优先级是中断系统的核心组成部分，它决定了中断处理程序的执行顺序。中断优先级系统能够区分不同来源的中断，允许那些更加紧急或重要的任务优先得到处理。

在一个复杂的系统中，可能存在多个中断源，例如定时器中断、外部中断、串行通信中断等，每个中断源都可能有其独特的优先级设置。中断优先级系统确保这些中断源不会相互阻塞，允许系统根据优先级的顺序有效响应。

### 2.2 STM32中断优先级的配置方法

#### 2.2.1 中断优先级寄存器的结构
在STM32微控制器中，中断优先级是由两个寄存器来管理的：IPRx和NVIC_IPRx（其中x是一个数字，表示特定的中断通道）。这两个寄存器的组合使用定义了一个中断的优先级。

IPRx寄存器包含一个4位的优先级字段，这意味着每个中断源可以有16个优先级（2^4）。但是，实际的可用优先级数取决于优先级分组的配置。

#### 2.2.2 如何在STM32中设置中断优先级
设置STM32中断优先级的步骤通常涉及以下操作：

1. 确定中断源。
2. 确定所需的优先级组。
3. 使用`NVIC_SetPriority()`函数来设置优先级。

首先，通过STM32的标准库函数或直接操作寄存器来配置中断优先级寄存器。例如，下面是一个代码示例，用于设置一个外部中断（EXTI）的优先级。

void EXTI0_IRQHandler(void) {
  if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
    // Handle the interrupt
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
  }
}

int main(void) {
  // Enable the clock for the interrupt controller
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

  // Configure the interrupt line
  GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);

  // Enable and set EXTI0 Interrupt to the lowest priority
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x0F; // 最低优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x0F; // 最低子优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

  // Further initialization code...
}

在这个例子中，`NVIC_SetPriority()`函数用于设置中断的抢占优先级和响应优先级。

### 2.3 中断优先级分组

#### 2.3.1 优先级分组的原理
STM32允许用户通过优先级分组来定义中断优先级寄存器IPRx的位字段是如何划分成抢占优先级和子优先级的。优先级分组的目的是为了在不同中断间提供足够的区分度，同时平衡响应速度和灵活性。

分组决定了有多少位用于抢占优先级，多少位用于子优先级。例如，在4位优先级字段中，优先级分组可以配置为4位抢占优先级和0位子优先级，或者3位抢占优先级和1位子优先级等。

#### 2.3.2 如何选择合适的优先级分组
选择优先级分组取决于特定应用的需求。如果系统中有许多中断源，或者有些中断需要被快速响应，那么可能需要更多的抢占优先级位。如果中断源之间需要更细致的区分，则需要更多的子优先级位。

STM32提供了一系列API来配置优先级分组，包括`NVIC_PriorityGroupConfig()`函数。下面是一个使用该函数的代码示例：

void SetPriorityGrouping(void) {
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
}

在这个例子中，`NVIC_PriorityGroup_2`定义了2位抢占优先级和2位子优先级的配置。

在表格中展示优先级分组的配置选项可以帮助读者理解不同分组对优先级分辨率的影响：

| 分组编号 | 抢占优先级位数 | 子优先级位数 |
|----------|----------------|--------------|
| 0 | 4