第5课【中断与NVIC】中断 NVIC 优先级 中断编程

基本知识框架

课堂笔记

中断

什么是中断

中断是一种计算机处理突发情况的工作机制

中断的基本工作机制

中断工作机制并不是凭空出现的，而是借鉴了生活中的经验。例如，你今天想完成两件事情：看电视和收快递，你会这样去完成，躺在沙发上专心看电视，并等待快递员通知你去收取快递，如果快递员不通知，那你就会专心的看你的电视；这和中断的使用场景非常相似，计算机在处理主任务的同时，还会面对一些突发情况（内存溢出，硬件宕机，定时器溢出。。。），通过中断这种硬件层面的功能，当异常情况发生时，中断控制器主动通知CPU保存主任务进度，优先执行突发情况处理的程序，执行完后再恢复主任务现场，并继续先前的工作

功能框图

中断的优点

相比轮询，中断机制有以下优点

• 提高了计算机的工作效率：中断不像轮询一样，需要CPU时时刻刻去监测突发情况是否发生，而是主动去通知CPU来处理突发情况，当不发生突发情况时，CPU可以专心的完成主任务
• 满足实时性的需求：当有实时性要求很高的任务时，通过配置中断，可以使此任务得到优先处理，
• 提供了故障处理的手段当发生故障，尤其是硬件故障时，通过中断，可以实现故障处理，设备复位等操作

中断类型和中断优先级

中断类型

STM32中，根据发起中断请求的外设在内核中还是内核以外，可以分为系统中断和外部中断

系统中断

系统中断是由内核中的外设发出的中断请求，由嵌套向量控制器NVIC直接响应

外部中断

外部中断是由内核外的外设，即APB总线上的外设发出的中断请求，由外部中断/事件控制器相应，如果发出的是中断信号，最终还会传到NVIC嵌套向量控制器

中断优先级

如果STM32同一时间收到多个中断信号，那么信号之间就有可能出现冲突。所以NVIC中还定义了中断的优先级，优先级高的中断，会被优先处理
优先级分为主优先级和子优先级，主优先级中断信号高于子优先级中断信号，会被优先响应，同级中断信号，根据优先级编号判断，编号越小，优先级越高，如果主优先级和子优先级都相同，则比较它们的硬件编号，硬件编号越小的，优先级越高

STM32中中断信号的优先级不是完全固定的，有部分中断信号的优先级是可以编程的，由开发者去设定中断信号的优先级

STM32中有8个系统中断（算上Reset和HardFault的话，有10个），60个外部中断，其中大部分优先级是可编程的，少部分中断信号优先级是固定的

NVIC嵌套向量控制器

NVIC嵌套向量控制器 ，这个控制器控制着整个芯片中断相关的功能，是内核中的一个外设，和内核紧密耦合。但由于STM32需要的中断功能没有那么高，所以实际上STM32中的NVIC是经过裁剪的，是属于CorteX NVIC的一个子集

为什么NVIC叫嵌套向量控制器
个人理解
嵌套：中断是可以嵌套的，这就意味着在执行优先级较低的中断服务时，是会被优先级较高的中断服务打断，等待高优先级的中断服务完成后，再恢复低优先级中断服务的现场，继续执行低优先级的中断服务
向量：向量指的是有方向有数值的量，在这里的向量指的是中断向量表，中断向量表之前已经讨论过，向量表中存储的是中断服务函数的地址，当有中断信号产生时，会从中断向量表中找到相应的中断函数的地址，然后跳转到该函数执行，流程如下图

NVIC寄存器结构体

NVIC寄存器结构体定义在固件库core_m3.h中，内容如下

typedef struct
{
	__IO uint32_t ISER[8];		// 中断使能寄存器
	uint32_t RESERVED0[24];
	__IO uint32_t ICER[8];		// 中断清除寄存器
	uint32_t RESERVED1[24];
	__IO uint32_t ISPR[8];		// 中断使能悬起寄存器
	uint32_t RESERVED2[24];
	__IO uint32_t ICPR[8];		// 中断清除悬起寄存器
	uint32_t RESERVED3[24];
	__IO uint32_t IABR[8];		// 中断有效位寄存器
	uint32_t RESERVED4[56];
	__IO uint32_t IP[240];		// 中断优先级寄存器（8bit）
	uint32_t RESERVED5[644];	
	__IO uint32_t STIR;			// 软件触发中断寄存器
}NVIC_Type;

实际中断的配置流程中，一般只用到ISER、ICER和IP三个寄存器，ISER寄存器用来使能中断，ICER寄存器用来失能中断，IP用来设置中断的优先级

NVIC寄存器相关库函数

在库函数头文件core_m3.h中除了提供NVIC寄存器结构体的定义，还提供了用来操作寄存器的库函数，这些函数遵循CMSIS的规则，这意味着只要是Cortex-M3处理器，这些函数都可用

但这些库函数一般都很少用到，因为还有更简洁的方法去配置寄存器

中断优先级寄存器和中断优先级设置库函数

NVIC有一个专门用于配置中断优先级的寄存器NVIC_IPRx，IPR寄存器的位数为8位，理论上可配置的中断优先级可以是0~255，但大多数的单片机系统，都会将中断优先级简化，STM32 F103中只是用到了IPR的高4位
通过内核外设SCB程序中断及复位控制寄存器AIRCR，其中的PRIGROUP[10:8]设置位，可以将中断根据优先级进行分组，虽然IPR寄存器仅有4位，但通过与PRIGROUP的前3位配合，可以将这4位分别设置成主优先级和子优先级 ，共5组，详细可见下表

和中断相关的库函数全部都在misc.c和misc.h里面，以下是优先级分组的解析和设置优先级库函数NVIC_PriorityGroupConfig()详细内容

// 设置中断优先级
// NVIC_PriorityGroup_0: 0bit for Main Interupt
// 						 4bit for Sub  Interupt
// NVIC_PriorityGroup_1: 1bit for Main Interupt
// 						 3bit for Sub  Interupt
// NVIC_PriorityGroup_2: 2bit for Main Interupt
// 						 2bit for Sub  Interupt
// NVIC_PriorityGroup_3: 3bit for Main Interupt
// 						 1bit for Sub  Interupt
// NVIC_PriorityGroup_4: 4bit for Main Interupt
// 						 0bit for Sub  Interupt
//
// If Enabled NVIC_PriorityGroup_0,All bit will Work As Sub Interupt
void PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
{
	SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup
}

中断编程

将中断的思想通过库函数体现到函数中，一般要经过一下的过程：

1. 想使能某个中断，首先要明确其寄存器的使能中断位。再需要根据需求是开启外设的中断
2. 初始化NVIC_InitType结构体，设定中断源，设定中断优先级（包括主优先级和子优先级），最后使能中断
   以下是NVIC_InitType结构体的详细内容

typedef struct
{
	uint8_t NVIC_IRQChannel;					// 中断源
	uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriorty;	// 中断主优先级
	uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriorty;			// 中断子优先级
	FunctionableState NVIC_IRQChannelCmd		// 中断使能/失能
;}

NVIC_InitType结构体中有4个成员，它们分别代表了：

• NVIC_IRQChannel：用来设置中断源。中断源如果写错，并不会报错，而是会导致原本要相应的中断不工作，而其他意料之外的中断会工作的后果。NVIC_IRQChannel可设置的内容可以在头文件stm3210x.h定义的中断源结构体IRQn_Type中查询到
• uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriorty：用来设置中断主优先级，具体可以查看上表
• uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriorty：用来设置中断子优先级，具体可以查看上表
• FunctionableState NVIC_IRQChannelCmd：用来设置中断使能/失能，主要是通过设置NVIC_ISER和NVIC_ICER寄存器来实现

3. 最后编写中断服务函数，当系统响应中断时，会通过中断向量表找到并执行这个函数。原先在启动文件startup_stm3210x_hd.s中设置的空函数，为的是去初始化中断向量表，如果中断向量表中的函数指向错误，那么很可能会使系统陷入死循环

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