STM32中断应用笔记

一、基本概念

1．ARM cortex_m3 内核支持 256 个中断（16 个内核+240 外部）和可编程 256 级中断优先级
的设置，与其相关的中断控制和中断优先级控制寄存器（NVIC、SYSTICK 等）也都属于
cortex_m3 内核的部分。STM32 采用了 cortex_m3 内核，所以这部分仍旧保留使用，但 STM32
并没有使用 cortex_m3 内核全部的东西（如内存保护单元 MPU 等），因此它的 NVIC 是
cortex_m3 内核的 NVIC 的子集。

2．STM32 目前支持的中断共为 84 个（16 个内核+68 个外部），和 16 级可编程中断优先级
的设置（仅使用中断优先级设置 8bit 中的高 4 位，见后面解释）。《参考最新 101xx-107xx
STM32 Reference manual, RM0008》。

3．以下主要对“外部中断通道”进行说明。
对于 cortex_m3 内核所支持的 240 个外部中断，我在这里使用了“中断通道”这个概
念，因为尽管每个中断对应一个外围设备，但该外围设备通常具备若干个可以引起中断的
中断源或中断事件。而该设备的所有的中断都只能通过该指定的“中断通道”向内核申请
中断。因此，下面关于中断优先级的概念都是针对“中断通道”的。当该中断通道的优先
级确定后，也就确定了该外围设备的中断优先级，并且该设备所能产生的所有类型的中断，
都享有相同的通道中断优先级。至于该设备本身产生的多个中断的执行顺序，则取决于用
户的中断服务程序。

4． STM32 可以支持的 68 个外部中断通道，已经固定的分配给相应的外部设备。每个中断
通道都具备自己的中断优先级控制字节 PRI_n（8 位，但在 STM32 中只使用 4 位，高 4 位有
效），每 4 个通道的 8 位中断优先级控制字（PRI_n）构成一个 32 位的优先级寄存器（Priority
Register）。68 个通道的优先级控制字至少构成 17 个 32 位的优先级寄存器，它们是 NVIC
寄存器中的一个重要部分。

5．对于这 4bit 的中断优先级控制位还必须分成 2 组看：从高位开始，前面是定义抢先式优
先级的位，后面用于定义子优先级。4bit 的分组组合可以有以下几种形式：

编号 分配情况
7 0:4 无抢先式优先级，16 个子优先级
6 1:3 2 个抢先式优先级，8 个子优先级
5 2:2 4 个抢先式优先级，4 个子优先级
4 3:1 8 个抢先式优先级，2 个子优先级
3/2/1/0 4:0 16 个抢先式优先级，无子优先级

6．在一个系统中，通常只使用上面 5 种分配情况的一种，具体采用哪一种，需要在初始化
时写入到一个 32 位寄存器 AIRC（Application Interrupt and Reset Control Register）的第[10：8]这 3 个位中。这 3 个 bit 位有专门的称呼：PRIGROUP（具体写操作后面介绍）。
比如你将 0x05（即上表中的编号）写到 AIRC 的[10：8]中，那么也就规定了你的系统中只
有 4 个抢先式优先级，相同的抢先式优先级下还可以有 4 个不同级别的子优先级。

7．AIRC 中 PRIGROUP 的值规定了设置和确定每个外部中断通道优先级的格式。例如，在上
面将 0x05 写入了 AIRC 中 PRIGROUP，也就规定了当前系统中只能有 4 个抢先式优先级，相
同的抢先式优先级下还可以有 4 个不同级别的子优先级，他们分别为：

位[7：6]
位[5：4]
位[3：0]
00 0 号抢先优先级 00 0 号子优先级 无效
01 1 号抢先优先级 01 1 号子优先级 无效
10 2 号抢先优先级 10 2 号子优先级 无效
11 3 号抢先优先级 11 3 号子优先级 无效

8．如果在你的系统中使用了 TIME2（中断通道 28）和 EXTI0（中断通道 6）两个中断，而
TIME2 中断必须优先响应，而且当系统在执行 EXIT0 中断服务时也必须打断（抢先、嵌套），
就必须设置 TIME2 的抢先优先级比 EXTI0 的抢先优先级要高（数目小）。假定 EXTI0 为 2 号
抢先优先级，那么 TIME2 就必须设置成 0 或 1 号抢先优先级。这些工作需要在 AIRC 中的
PRIGROUP 设置完成，确定了整个系统所具有的优先级个数后，再分别对每个中断通道（设
备）进行设置。

9．具体优先级的确定和嵌套规则。ARM cortex_m3（STM32）规定
a/ 只能高抢先优先级的中断可以打断低抢先优先级的中断服务，构成中断嵌套。
b/ 当 2（n）个相同抢先优先级的中断出现，它们之间不能构成中断嵌套，但 STM32 首
先响应子优先级高的中断。
c/ 当 2（n）个相同抢先优先级和相同子优先级的中断出现，STM32 首先响应中断通道
所对应的中断向量地址低的那个中断（见 ROM0008，表 52）。
具体一点：
0 号抢先优先级的中断，可以打断任何中断抢先优先级为非 0 号的中断；1 号抢先优先
级的中断，可以打断任何中断抢先优先级为 2、3、4 号的中断；……；构成中断嵌套。
如果两个中断的抢先优先级相同，谁先出现，就先响应谁，不构成嵌套。如果一起出
现（或挂在那里等待），就看它们 2 个谁的子优先级高了，如果子优先级也相同，就看它们
的中断向量位置了。

10．上电 Reset 后，寄存器 AIRC 中 PRIGROUP[10：8]的值为 0（编号 0），因此此时系统使
用 16 个抢先优先级，无子优先级。另外由于所有外部中断通道的优先级控制字 PRI_n 也都
是 0，所以根据上面的定义可以得出，此时 68 个外部中断通道的抢先优先级都是 0 号，没
有子优先级的区分。故此时不会发生任何的中断嵌套行为，谁也不能打断当前正在执行的中
断服务。当多个中断出现后，则看它们的中断向量地址：地址越低，中断级别越高，STM32
优先响应。
注意：此时内部中断的抢先优先级也都是 0 号，由于它们的中断向量地址比外部中断向
量地址都低，所以它们的优先级比外部中断通道高，但如果此时正在执行一个外部中断服务，
它们也必须排队等待，只是可以插队，当正在执行的中断完成后，它们可以优先得到执行。

了解以上基本概念还是不够的，还要了解具体中断的控制有那些途径，中断服务程序
如何正确的编写。下面的描述主要以 TIME2 通道为例。

二、中断控制

1．对于 STM32 讲，外部中断通道位置 28（35 号优先级）是给外部设备 TIME2 的，但 TIME2
本身能够引起中断的中断源或事件有好多个，比如更新事件（上溢/下溢）、输入捕获、输出
匹配、DMA 申请等。所有 TIME2 的中断事件都是通过一个 TIME2 的中断通道向 STM32 内核提
出中断申请，那么 STM32 中如何处理和控制 TIME2 和它众多的、不同的、中断申请呢？

（题外话：STM32 中的一个通用定时计数器，就比 8 位控制器（如 AVR，MCS-51 就更不必说了）中 TIME
要复杂多了。学过 AVR 的，可能对输入捕获、输出匹配等还有概念，但如果你学的标准架构的 MCS-51，那
么上手 32 位可能困难就更多了。所以我一直推荐学习 8 位机应该认真的从 AVR 开始。尽管 51 有很大的市
场，价格也相对便宜，但从长远的眼光看问题，从后续掌握 32 位的使用，考虑到学生的可持续发展，AVR
应该是比较好的选择。）

2．cortex_m3 内核对于每一个外部中断通道都有相应的控制字和控制位，用于单独的和总
的控制该中断通道。它们包括有：
z 中断优先级控制字：PRI_n（上面提到的）
z 中断允许设置位：在 ISER 寄存器中
z 中断允许清除位：在 ICER 寄存器中
z 中断悬挂 Pending（排队等待）位置位：在 ISPR 寄存器中（类似于置中断通道标志位）
z 中断悬挂 Pending（排队等待）位清除：在 ICPR 寄存器中（用于清除中断通道标志位）
z 正在被服务（活动）的中断（Active）标志位：在 IABR 寄存器中，（只读，可以知道当
前内核正在处理哪个中断通道）

因此，与 TIME2 中断通道相关的，在 NVIC 中有 13 个 bits，它们是 PRI_28（IP[28]），
的 8 个 bits(只用高 4 位)；加上中断通道允许，中断通道清除（相当禁止中断），中断通道
Pending 置位（我的理解是中断请求发生了，但当前有其它中断服务在执行，你的中断级别
又不能打断别人，所以 Pending 等待，这个应该由硬件自动置位的），中断 Pending 位清除
（可以通过软件将本次中断请求、且尚处在 Pending 状态，取消掉），正在被服务的中断
（Active）标志位，各 1 个 bit。
上面的控制字和控制位都是分布在 NVIC 的寄存器组中的，可惜在 STM32 手册中竟然不
给出任何的解释和说明。

3．作为外围设备 TIME2 本身也包括更具体的，管理自己不同中断的中断控制器（位），它们
主要是自身各个不同类型中断的允许控制位，和各自相应的中断标志位（这个在 STM32 的手
册中有详细的说明了）。

4．在弄清楚 2、3 两点的基础上，我们可以全程、全面和综合的来了解 TIME2 的中断过程，
以及如何控制的。

a/ 初始化过程
首先要设置寄存器 AIRC 中 PRIGROUP 的值，规定系统中的抢先优先级和子优先级的个数（在 4 个 bits 中占用的位数）；
设置 TIME2 本身的寄存器，允许相应的中断，如允许 UIE（TIME2_DIER 的第[0]位）
设置 TIME2 中断通道的抢先优先级和子优先级（IP[28]，在 NVIC 寄存器组中）
设置允许 TIME2 中断通道。在 NVIC 寄存器组的 ISER 寄存器中的一位。

b/ 中断响应过程
当 TIME2 的 UIE 条件成立（更新，上溢或下溢），硬件将 TIME2 本身寄存器中 UIE 中断
标志置位，然后通过 TIME2 中断通道向内核申请中断服务。
此时内核硬件将 TIME2 中断通道的 Pending 标志置位（相当与中断通道标志置位），表
示 TIME2 有中断申请。
如果当前有中断在处理，TIME2 的中断级别不够高，那么就保持 Pending 标志，当然用
户可以在软件中通过写 ICPR 寄存器中相应的位把本次中断清除掉。
当内核有空，开始响应 TIME2 的中断，进入 TIME2 的中断服务。此时硬件将 IABR 寄存
器中相应的标志位置位，表示 TIME2 中断正在被处理。同时硬件清除 TIME2 的 Pending 标志
位。

c/ 执行 TIME2 的中断服务程序
所有 TIME2 的中断事件，都是在一个 TIME2 中断服务程序中完成的，所以进入中断程序
后，中断程序需要首先判断是哪个 TIME2 的具体事件的中断，然后转移到相应的服务代码段
去。
注意不要忘了把该具体中断事件的中断标志位清除掉，硬件是不会自动清除 TIME2 寄存
器中具体的中断标志位的。
如果 TIME2 本身的中断事件多于 2 个，那么它们服务的先后次序就由用户编写的中断服
务决定了。换句话说，对于 TIME2 本身的多个中断的优先级，系统是不能设置的。所以用户
在编写服务程序时，应该根据实际的情况和要求，通过软件的方式，将重要的中断优先处理
掉。
当然你也可以每次中断服务只处理其中的一个，然后再次进入中断，处理下一个。

d/ 中断返回
内核执行完中断服务后，便进入中断返回过程，在这个过程中需要：
硬件将 IABR 寄存器中相应的标志位清另，表示该中断处理完成
如果 TIME2 本身还有中断标志位置位，表示 TIME2 还有中断在申请，则重新将 TIME2
的 Pending 标志置为 1，等待再次进入 TIME2 的中断服务。

以上中断过程在《ARM Cortex-M3 权威指南》中有详细描述，并配合时序图说明，可以
参考。