作者：junziyang

<hr>（注：如非特別声明，以下笔记内容均针对STM32F103ZET6而言。不同型号，细节可能存在差别）
单片机中程序的执行方式主要有轮询、中断和DMA三种。轮询模式中CPU一直全速运转，在一个循环中周期性的查询各程序模块是否有要处理的任务，这种模式适合处理连续的、周期性的、短周期性的任务。中断模式则适于处理临时性的、不定期的、需要快速响应的任务，CPU处理完中断请求后可以休眠，有新的中断请求时再被唤醒。而DMA模式则主要用来传输大量的数据，因不占用CPU资源，可为CPU减负。轮询模式靠CPU来控制，中断模式靠中断控制器NVIC来控制，而DMA模式则主要受DMA控制器控制。当然，DMA模式中往往需要中断，中断模式中也离不开CPU，往往需要综合运用三大指挥中枢来优化程序的功耗，响应速度和执行效率。
10.1 Coretex-M3中断系统简介

所谓中断，就是当有优先级更高的任务需要执行时，CPU能够暂停当前正在处理的任务，转而去执行更高优先级的任务的处理方式。加塞儿的任务执行完毕后，再返回原任务继续执行。中断是提高处理器响应速度，执行效率和降低能耗的关键。点击电脑上的图标或按钮会执行相应的程序，这其实就是一种中断响应。
Coretex-M3微处理器支持多达256个中断，包括16个内核中断和240个外部中断，统一由嵌套向量中断控制器NVIC（Nested Vector Interrupt Controller）管理。NVIC属于M3内核外设之一，紧挨着CPU集成在内核中，这样有利于缩短中断迟滞，提高中断响应速度和执行效率。



图1. STM32中Coretex-M3的实现
Coretex内核及其外设是由ARM设计的一个架构，在core_cm3.h进行了定义，不同的芯片厂商可以根据产品需要实现其中的一部分或全部。以NVIC为例，core_cm3.h中相关寄存器别名及地址映射定义如下：
/**  \brief  Structure type to access the (NVIC). */typedef struct{  __IOM uint32_t ISER[8U]; /*!< Offset: 0x000 (R/W)  Interrupt Set Enable Register */        uint32_t RESERVED0[24U];  __IOM uint32_t ICER[8U];/*!< Offset: 0x080 (R/W)  Interrupt Clear Enable Register */        uint32_t RSERVED1[24U];  __IOM uint32_t ISPR[8U]; /*!< Offset: 0x100 (R/W)  Interrupt Set Pending Register */        uint32_t RESERVED2[24U];  __IOM uint32_t ICPR[8U]; /*!< Offset: 0x180 (R/W)  Interrupt Clear Pending Register */        uint32_t RESERVED3[24U];  __IOM uint32_t IABR[8U]; /*!< Offset: 0x200 (R/W)  Interrupt Active bit Register */        uint32_t RESERVED4[56U];  __IOM uint8_t  IP[240U]; /*!< Offset: 0x300 (R/W)  Interrupt Priority Register (8Bit wide) */        uint32_t RESERVED5[644U];  __OM  uint32_t STIR; /*!< Offset: 0xE00 ( /W)  Software Trigger Interrupt Register */}  NVIC_Type;可以看出，ARM为NVIC预留了巨大的寄存器空间，已备日后扩充功能之用。目前NVIC相关的寄存器共有7个，常用的有如下3个：

• ISER（Interrupt Set Enable Register）
  

用来使能中断。向中断向量编号对应的位写入1即可使能。写入0无影响。ISER由8个32bit寄存器组成，可以支持256个中断向量(编号0-255)。stm32F103系列只用了其中的60个，具体中断向量的分配和对应的编号可以查阅芯片的《Reference Manual》或库函数中的头文件，例如HAL库的stm32f103xe.h或STD库的stm32f10x.h。以STM32F103ZET6的ADC1为例，对应的中断向量为ADC1_2_IRQn，编号18。使能设置方法：NVIC->ISER[0]=0x01<<18。ARM仅分配了寄存器空间，具体外设中断向量对应的寄存器位是由芯片厂商设定的。

• ICER（Interrupt Clear Enable Register）
  

用来清除中断。与ISER一一对应，也由8个32bit寄存器组成，向对应位写入1可以关闭对应的中断。例如，关闭ADC1的中断，设置方法：NVIC->ICER[0]=0x01<<18。

• IP（Interrupt Priority Register ）
  

设置中断优先级。IP共有240个8bit的寄存器构成，每个中断向量对应1个寄存器（16个内核中断的优先级是固定的）。stm32只用了高4位，数值越小，优先级越高。例如：将ADC1的抢断优先级设为00，子优先级设为11，设置方法：NVIC->IP[18] = 0x03<<4。
10.2 NVIC工作原理

10.2.1 中断向量

如前所述，每个外设或功能的中断都被赋予了一个编号，以便与NVIC寄存器中的功能位对应。这样所有中断编号就构成了一个一维数组，这个数组就是中断向量。每个外设或功能的中断可能不止一个，例如ADC有JEOC、EOC、AWD 3个中断，而DMA每个通道都有TC、HT、TE 3个中断。各个外设或功能的多个中断都管理到各自的中断向量上，这样形成了一个嵌套结构。当有中断发生时，NVIC首先将中断分配到对应的中断向量，调用相应的IRQ（Interrupt Request）函数，然后IRQ再根据外设的寄存器标志位，判断具体是什么中断，并调用相应的中断回调函数进行处理。这类似于一种从上到下的分支结构，有利于提高决策效率。
10.2.2 NVIC相关寄存器

内核外设相关寄存器在《Reference Manual》中没有相关说明，需要查阅《STM32F10xx Cortex-M3 programing manual》，其中描述了ARM内核架构在STM32中的实现细节。

如前所述，ARM为ISER、ICER、ISPR、ICPR、IABR都预留了8个32bit的寄存器，为IP预留了240个8bit的寄存器。STM32由于中断数量较少，只用到了8个32bit的寄存器中的前3个和IP寄存器中的前68个。每个IP寄存器对应一个中断向量。其余寄存器中每个位对应一个中断向量。中断寄存器与中断向量编号的对应关系如图2所示。

图2. STM32的中断寄存器对应关系
1. 中断开关管理
ISER和ICER的功能位一一对应，从低位向高位顺序编号。向ISERx位写入1，开启编号x的中断向量(IRQx)，而向ICERx位写入1，则关闭IRQx。写入0均无效。通过读取ISERx/ICERx可以查询中断向量IRQx的使能状态，1表示中断开启，0表示中断关闭（ICERx写入1，关闭中断后该位会被硬件复位为0）。
如果挂起状态的中断是使能的，NVIC会根据其优先级启动该中断；如果中断是未使能的，将其标志位置位只会使其中断状态变为挂起，无论其优先级高低，NVIC永远不会执行该中断。开启中断向量，使能外设的中断，然后NVIC才能响应该中断。
2. 中断挂起管理
ISPR和ICPR的功能位也是一一对应，从低位向高位顺序编号。向ISPRx位写入1，将中断向量IRQx强制挂起（Set Pending，暂停执行），而向ICPRx位写入1，则取消IRQx挂起（Clear Pending）。写入0均无效。通过读取ISPRx/ICPRx可以查询IRQx的挂起状态，1表示挂起，0表示未挂起。
3. 中断状态管理
IABR（Interrupt Active Bit Register）寄存器是个只读寄存器，用来管理中断向量的状态。如果IABR的第x位为1，表明IRQx是使能的或使能并处于挂起状态。
4. 中断优先级管理
IP是一组8bit的寄存器，用来管理中断优先级，每个寄存器对应一个中断向量。每个IP寄存器中只有[7:4]位（高4位）有效，低4位始终为0。抢断优先级和子优先级的位数可以通过程序设置，抢断优先级优先占据高位。
5. 中断的软件触发
除了事件触发，中断也可以通过软件触发（SGI，software generated interrupt）。触发的方法就是将中断的编号写入NVIC_STIR寄存器（Software TIgger Register）。这是一个只写寄存器，只有低9位有效，可以写入范围在0-239的值。例如写入0b0001 0010则产生IRQ18，即ADC1的中断请求。
软件触发受SCB控制，只有SCB_SCR寄存器的USERSETMPEND=1，无特权的软件才可访问STIR。而对USERSETMPEND的设置只能由有特权的软件来控制。
10.2.3 中断的运作机制

STM32的中断可分为电平敏感中断和脉冲（边沿）敏感中断。电平敏感中断在外设撤掉中断信号之前一直有效。通常需要通过ISR（Interrupt Service Routine）访问外设来清除其中断请求。而脉冲中断是一种需要通过处理器时钟上升沿同步取样的中断信号。为确保能被NVIC捕获到，外设发出的中断有效信号必须持续至少一个时钟周期。
当处理器进入ISR以后，会自动清除中断的挂起状态。对电平敏感中断，如果处理器从IRQ返回后中断信号仍未撤销，中断重新挂起进入等待，处理器必须再次执行IRQ。对这种中断，外设可以一直保持中断请求信号有效状态，让中断反复被执行，直至不再需要中断服务时再撤掉。
1. 中断的软件和硬件控制
Cortex-M3会执行所有的中断。如果一个外设的中断处于挂起状态，可能的原因如下：

• NVIC检测到中断信号是高电平，而中断没有激活。
  
• NVIC检测到中断信号的上升沿。
  
• 软件向中断对应的ISPR位写入了1，或者向STIR写入产生了SGI挂起。
  

解除中断挂起的方法：

• 处理器进入了该中断的ISR（受理了中断），中断的状态由pending变为active。
  
  
  
  • 对电平敏感的中断，处理器从ISR返回后，NVIC会取样中断信号，如果信号仍有效，中断状态变为挂起，按优先级排队，等待再次被执行。反之，如果从ISR返回是中断信号无效，中断状态变为inactive。
    
  • 对脉冲敏感的中断，NVIC持续监测中断信号，只要脉冲出现，中断状态即变为pending and active。处理器在ISR中时，如果有中断脉冲，当处理器返回中断状态变为pending，等待再次执行。而如果处理器在ISR中时，无中断脉冲，处理器从ISR返回后，中断状态变为inactive。
    
  • 当软件写入中断的ISPR位时：对电平敏感中断，如果中断信号仍有效，中断状态保持不变。反之，变为inactive；对脉冲敏感中断，如果当时中断状态为pending，软件写入会将其清除，即变为inactive。而如果当时的状态是active and pending，软件写入清除无效，仍为active。
    
  
  

2. NVIC设计建议和提示

• 确保软件访问寄存器时正确对齐。处理器不支持非对齐的NVIC寄存器访问。
  
• 在编程VTOR重新分配向量表之前，确保新向量表中除了中断，也设置故障处理、NMI和所有开启的异常中断。
  
• 为了便于中断管理，CMSIS提供了两个内置函数，
  

__disable_irq() // Disable Interrupts

__enable_irq() // Enable Interrupts

另外，CMSIS还定义了专门的中断管理函数（core_cm3.h），如表1所示。

表1. core_cm3.h中定义的NVIC函数

CMSIS 中断控制函数	说明
NVIC_SetPriorityGrouping()	设置优先级分组
NVIC_GetPriorityGrouping()	查询优先级分组
NVIC_EnableIRQ()	使能中断
NVIC_GetEnableIRQ()	查询中断使能状态
NVIC_DisableIRQ()	禁用中断
NVIC_SetPendingIRQ()	设置中断挂起
NVIC_GetPendingIRQ()	查询中断是否挂起
NVIC_ClearPendingIRQ()	清除中断管钱标志
NVIC_GetActive()	查询活动中的中断的IRQ编号
NVIC_SetPriority()	设置中断优先级
NVIC_GetPriority()	查询中断优先级
NVIC_EncodePriority()	将2位抢断优先级和2位子优先级合成4位以便写入对应的IP[n]寄存器
NVIC_DecodePriority()	IP[n]寄存器中的优先级解析为抢断优先级和子优先级
NVIC_SetVector()	设置中断向量表（SCB->VTOR）设置中断向量对应的处理函数地址
NVIC_GetVector()	查询中断向量表，返回中断处理函数地址
NVIC_SystemReset()	系统复位

注：STD库在misc.c中重新定义了NVIC管理函数（设置NVIC和SCB寄存器），而HAL库中则是在stm32f1xx_hal_cortex.c中用库函数对core_m3.h中的NVIC函数进行了封装。
10.3 HAL库NVIC函数

NVIC相关的HAL库函数在stm32f1xx_hal_cortexex.h中声明，在stm32f1xx_hal_cortexex.c中定义。每个外设相关的中断函数在外设的API中定义。
10.3.1 初始化和复位函数

• HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(); 设置中断优先级分组，即抢断优先级和子优先级的位数。只需设置1次，不要中间修改。在stm32f1xx_hal_msp.c中的HAL_MspInit函数中会调用该函数进行中断优先级分组。
  
• HAL_NVIC_SetPriority();设置外设IRQn的抢断和子优先级。
  
• HAL_NVIC_EnableIRQ();开启外设IRQn的中断。一般在外设的HAL_PPP_MspInit函数中调用HAL_NVIC_SetPriority设置优先级，然后调用HAL_NVIC_EnableIRQ开启中断。
  
• HAL_NVIC_DisableIRQ();关闭外设IRQn的中断。一般在外设的HAL_PPP_MspDeInit函数中调用HAL_NVIC_DisableIRQ关闭中断。
  
• HAL_NVIC_SystemReset(); 发出系统复位请求，复位MCU（软件复位）。
  
• HAL_SYSTICK_Config(); 初始化系统时钟及其中断，并启动SYSTIC计时器。计数器自由运转，产生周期性的中断。
  

10.3.2 外设控制函数

• HAL_NVIC_GetPriorityGrouping();
  
• HAL_NVIC_GetPriority();
  
• HAL_NVIC_GetPendingIRQ();
  
• HAL_NVIC_SetPendingIRQ();
  
• HAL_NVIC_ClearPendingIRQ();
  
• HAL_NVIC_GetActive();
  
• HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig();
  
• HAL_SYSTICK_IRQHandler();
  
• HAL_SYSTICK_Callback();
  

10.4 外部中断/时间控制器（EXTI）

10.4.1 EXTI简介

NVIC的中断向量中，除了与内核异常和片内外设的中断请求相关的向量外，还有一类来自EXTI的中断向量。EXTI称为外部中断/事件控制器（External interrupt/event controller），故名思议，是用来处理外部中断和外部事件的控制器。STM32的外部中断线有19条（互联系列20条），每条都可以单独设置类型（事件/中断）、触发方式（上升沿、下降沿或二者均有效），而且可单独屏蔽。EXTI与内核中的NVIC相连，通过NVIC向内核提交中断/事件请求。EXTI控制器的原理框图如图3所示。



图3. EXTI控制器原理框图
NVIC为EXTI分配了6个中断向量：EXTI0-EXTI4分别占用一个中断向量（EXTIx_IRQn，编号6-10）；EXTI5-9和EXTI10-15分别合用一个中断向量（EXTI 9_5_IRQn和EXTI15_9_IRQn，编号23,40）；EXTI16连接的是PVD检测中断事件，独占PVD_RIQn（编号1）；EXTI17连接的是RTC闹钟事件，独占RTC_Alarm_RIQn（编号41）；EXTI18连接的是USB唤醒事件，独占USBWakeUp_IRQn（编号42）。
112个GPIO引脚分别连接到了16条外部中断线上，对应关系为：P*x连接到EXTIx，*代表A-G，x代表0-16。例如：PA1,PB1,.....,PG1均连接与EXTI1。即，每条外部中断线服务7个GPIO引脚。但这7个引脚不能同时发送中断/事件请求。EXTIx的输入源由AFIO_EXTICR1-4寄存器来配置。AFIO_EXTICR1-4均为32bit的寄存器，每个寄存器仅使用低16位，每个EXTI线占4bit，所以一个寄存器可以容纳4个寄存器的配置。AFIO_EXTICR1配置EXTI0-3，AFIO_EXTICR2配置EXTI4-7，依次类推。每个EXTIx[3:0]的逻辑配位为：0000-PAx；0001-PBx；......；0101-PFx；0111-PGx。1111保留。
10.4.2 EXTI相关寄存器




图4. EXTI寄存器地址映射与复位值表
图4所示为EXTI相关寄存器与复位值表。EXTI的寄存器非常简单，共有6个32bit的寄存器，均使用0-19位。位x对应EXTIx的设置。其中，EXTI_IMR管理中断屏蔽；EXTI_EMR管理事件屏蔽；EXTI_RTSR管理上升沿触发；EXTI_FTSR管理下降沿触发；EXTI_SWER管理软件中断事件；EXTI_PR管理中断挂起状态。
注意：

• 外部唤醒线是边缘触发的，这些线上不能出现毛刺信号；
  
• 在写EXTI_RTSR（或EXTI_FTSR）寄存器的过程中，发生在外部中断线上的上升沿（或下降沿）不会被识别，挂起位也不会被设置。
  

10.5.3 EXTI功能说明

EXTI线既可以配置为响应中断（将EXTI_IMR的对应位置1），也可以配置为响应事件（将EXTI_EMR的对应位置1）。可以配置为上升沿触发（将EXTI_RTSR的对应位置1）、下降沿触发（将EXTI_FTSR的对应位置1）或双边沿触发（同时将EXTI_RTSR和EXTI_FTSR的对应位置1），还可以通过软件触发（将EXTI_SWIER的对应位置1）。配置为中断的EXTI线称为中断线（Interrupt Line），配置为事件的则称为事件线（Event Line）。
当中断线上发生所设置的边沿变化时，会产生相应的中断请求，EXTI_PR中对应的挂起位被同时置1。向该位再次写1可以清除挂起中的中断请求。
当事件线上发生所设置的边沿变化时，会产生一个事件脉冲，EXTI_PR中对应的挂起位不会被设置。也就是说，EXTI_PR是管理中断挂起的，事件不会被挂起，因为事件没有优先级。
设置边沿触发属于硬件事件触发。向EXTI_SWIER的对应写入1，也可以产生中断/事件请求，这种触发称为软件触发。软件触发情况下不要设置EXTI_EMR和EXTI_FTSR。
10.5 HAL库EXTI函数

10.5.1 EXIT配置步骤

在HAL库中，EXTI的API在stm32f1xx_hal_exti.h中声明，在stm32f1xx_hal_exti.c中定义。配置EXTI中断或事件线的基本步骤如下：

• 选择EXTI线：0-15对应GPIO引脚；16-PVD中断事件；17-RTC闹钟事件；18-USB唤醒事件。
  
• 设置EXTI线的模式：中断EXTI_IMR/事件EXTI_EMR/Both；
  
• 确定EXTI线的触发方式：上升沿EXTI_RTSR/下降沿EXTI_RTSR/Both;
  
• 如果EXTI线为GPIO引脚，设置AFIO_EXTICR，选择GPIO端口。
  

10.5.2 配置函数

• HAL_EXTI_SetConfigLine(); 根据两个结构体输入的参数配置EXTI
  
• HAL_EXTI_GetConfigLine(); 查询hexti的设置。hexti为EXTI线句柄。
  
• HAL_EXTI_ClearConfigLine(); 清除EXTI配置。复位IMR/EMR/RTSR/FTSR...
  
• HAL_EXTI_RegisterCallback(); 注册回调函数
  
• HAL_EXTI_GetHandle(); 将线号存入句柄hexti->Line = ExtiLine;
  

10.5.3 I/O函数

• HAL_EXTI_IRQHandler(); 中断请求处理函数
  
• HAL_EXTI_GetPending(); 获取指定线的挂起位
  
• HAL_EXTI_ClearPending(); 清除指定线的挂起位
  
• HAL_EXTI_GenerateSWI(); 设置SWIER，在hexti上产生软件中断SWI
  

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