在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，中斷是十分重要的知識(shí)點(diǎn)，在大部分單片機(jī)構(gòu)建的應(yīng)用產(chǎn)品中，基本都是以前后臺(tái)方式(大循環(huán)加中斷)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，在主循環(huán)中處理應(yīng)用，并在中斷中處理外部的觸發(fā)信號(hào)，以及對(duì)響應(yīng)時(shí)間有要求的應(yīng)用，如用于時(shí)間相關(guān)處理的定時(shí)器中斷，對(duì)按鍵響應(yīng)的外部中斷，用于通訊的收發(fā)和異常處理的串口中斷，SPI中斷， 網(wǎng)絡(luò)中斷等。另外，對(duì)于大部分RTOS來(lái)說(shuō)，如Cortex-M系統(tǒng)中的systick中斷和PendSV中斷，又是實(shí)現(xiàn)基于隊(duì)列和任務(wù)調(diào)度算法的RTOS的核心。

1 異常類(lèi)型

在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中，對(duì)于中斷的表示方法也因?yàn)閮?nèi)核的不同有很大的差異，如51使用中斷號(hào)來(lái)表示指定中斷，而ARM Cortex-M內(nèi)核中則使用中斷向量表的方式配合內(nèi)核中的NVIC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷的處理，不過(guò)考慮到目前的主流單片機(jī)方案，因此以典型的Cortex-M3內(nèi)核說(shuō)明單片機(jī)中的中斷控制機(jī)制, 另外Cortex-M系列中的其它內(nèi)核中的中斷流程也基本一致。

Cortex-M3內(nèi)核支持256個(gè)中斷，其中 16個(gè)內(nèi)核中斷和240個(gè)外部中斷，并具有256級(jí)可編程中斷設(shè)置，其中015為系統(tǒng)異常，主要處理系統(tǒng)執(zhí)行中產(chǎn)生的復(fù)位，錯(cuò)誤，主動(dòng)觸發(fā)的SVC，異常等，編號(hào)16255則是由芯片設(shè)計(jì)廠商自定義設(shè)計(jì)，用于滿足芯片功能需求的中斷(芯片廠商可以自由定制，不超過(guò)最大編號(hào)且不重復(fù)即可)。STM32并沒(méi)有使用Cortex-M3的全部?jī)?nèi)容，而是使用了一部分。 STM32有84個(gè)中斷，包括16個(gè)內(nèi)核中斷和68個(gè)可屏蔽中斷，具有16級(jí)可編程中斷優(yōu)先級(jí) 。STM32F103 在內(nèi)核水平上搭載了一個(gè)異常響應(yīng)系統(tǒng)， 支持為數(shù)眾多的系統(tǒng)異常和外部中斷。其中系統(tǒng)異常有 8 個(gè)（如果把 Reset 和 HardFault 也算上的話就是 10 個(gè)）， 外部中斷有 60個(gè) 。除了個(gè)別異常的優(yōu)先級(jí)被定死外，其它異常的優(yōu)先級(jí)都是可編程的。

下面以STM32F1舉例，有關(guān)具體的系統(tǒng)異常和外部中斷可在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件 stm32f10x.h 這個(gè)頭文件查詢(xún)到，在 IRQn_Type 這個(gè)結(jié)構(gòu)體里面包含了Cortex-M的異常聲明。系統(tǒng)異常清單見(jiàn)下表。

表1 系統(tǒng)異常清單

表2 STM32F103 外部中斷清單

…

反映在軟件實(shí)現(xiàn)就是在startup_xxx.s啟動(dòng)文件中定義的中斷向量表，具體結(jié)構(gòu)如下：

其中External Interrupts就是由廠商定義的中斷類(lèi)型，另外中斷號(hào)為0的位置為空，設(shè)計(jì)上就用來(lái)存儲(chǔ)堆棧指針。

在芯片在上電的過(guò)程中就是執(zhí)行復(fù)位機(jī)制根據(jù)SCB->VTOR查詢(xún)向量表，找到Reset_Handler入口，并加載__initial_sp到堆棧指針R13中，后續(xù)就可以正常的工作了。

在上述結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)中斷是在內(nèi)核定義時(shí)確定的，外部中斷在芯片設(shè)計(jì)時(shí)被確定，將中斷編號(hào)和指定外設(shè)的中斷觸發(fā)信號(hào)綁定，就構(gòu)建了完整的中斷向量表。

2 中斷向量表

中斷向量表每一位為一個(gè)32bit的地址。每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷函數(shù)的地址（第一位除外）。除了第一位以外，所有地址的目標(biāo)都為尋址寄存器（PC）。當(dāng)相應(yīng)中斷觸發(fā)時(shí)，ARM Cortex-M硬件會(huì)自動(dòng)把中斷向量表中相應(yīng)的中斷函數(shù)地址裝載入尋址寄存器（PC）然后開(kāi)始執(zhí)行中斷函數(shù)。如上所述，前16位為ARM保留的系統(tǒng)中斷，建議讀者熟記。之后的中斷為芯片自定義的外部中斷，可以在使用時(shí)查詢(xún)手冊(cè)或者廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序。表中每個(gè)向量大小都是 4 字節(jié)，除了第 0 個(gè)向量外，其余向量都是函數(shù)地址，這個(gè)表集中保存了系統(tǒng)全部的中斷處理函數(shù)（xxxIRQHandler）地址。

對(duì)于內(nèi)嵌 Flash 的 MCU 來(lái)說(shuō)，初始中斷向量表一般會(huì)被要求固定鏈接到 Flash 起始地址處，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)總是從 Flash 起始地址獲取第 0（初始棧）、1個(gè)向量（初始PC，復(fù)位函數(shù)ResetHandler）來(lái)開(kāi)始應(yīng)用程序代碼的執(zhí)行。對(duì)于一些包含 BootROM 或者沒(méi)有內(nèi)部 Flash 的 MCU，初始中斷向量表也許可以放到 Flash 中的其他地址處，這要取決于具體芯片設(shè)計(jì)。

當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行起來(lái)后，如果發(fā)生了中斷，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)出請(qǐng)求的外設(shè)中斷號(hào)來(lái)中斷向量表里找到對(duì)應(yīng)的外設(shè)中斷響應(yīng)函數(shù)并去執(zhí)行。Cortex-M 內(nèi)核（除了CM0）模塊 SCB 里有個(gè)專(zhuān)門(mén)的 VTOR 寄存器用來(lái)控制中斷向量表首地址（注意，地址需要 128 字節(jié)對(duì)齊），程序運(yùn)行起來(lái)后用戶(hù)可以配置 SCB->VTOR 寄存器來(lái)重設(shè)中斷向量表地址。

2.1 中斷向量表定義

中斷向量表可以通過(guò)匯編語(yǔ)言定義也可以通過(guò)C語(yǔ)言定義。以下列出兩種方式的示例程序。

• C語(yǔ)言定義

這里我們定義了一個(gè)數(shù)組，數(shù)組的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的中斷函數(shù)。如上所述，數(shù)組的第一項(xiàng)為初始棧指針，第二項(xiàng)為入口函數(shù)地址。余下的所有中斷都指向了一個(gè)通用中斷函數(shù)。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)需求替代相應(yīng)的中斷函數(shù)。

上文還提到中斷向量表需要放置于閃存起始地址處。這里__attribute__((section(".vectors")))為gcc的特定語(yǔ)法（如果開(kāi)發(fā)者使用IAR或者其他編譯器，語(yǔ)法有所不同），目的是告訴編譯器在鏈接所有對(duì)象文件（objects）時(shí)把_vector[]數(shù)組放在鏈接腳本（linker script）中的.vectors段落（section）。在鏈接腳本中，.vector段落被定義于閃存起始處。

#ifndef ARMV7M_PERIPHERAL_INTERRUPTS
#  error ARMV7M_PERIPHERAL_INTERRUPTS must be defined to the number of I/O interrupts to be supported
#endif

extern void exception_common(void);
unsigned _vectors[] __attribute__((section(".vectors"))) =
{
  /* Initial stack */
  IDLE_STACK,
  /* Reset exception handler */
  (unsigned)&__start,
  /* Vectors 2 - n point directly at the generic handler */
  [2 ... (15 + ARMV7M_PERIPHERAL_INTERRUPTS)] = (unsigned)&exception_common
};

• Assembly語(yǔ)言定義

這里以STM32Cube生成的startup_stm32f103xe.s為示例。同樣的，匯編程序中也定義了默認(rèn)中斷函數(shù)。所有中斷也都指向了默認(rèn)的中斷函數(shù)Default_Handler（默認(rèn)為無(wú)限循環(huán)）。

/**
 * @brief  This is the code that gets called when the processor receives an
 *         unexpected interrupt.  This simply enters an infinite loop, preserving
 *         the system state for examination by a debugger.
 *
 * @param  None
 * @retval : None
*/
    .section .text.Default_Handler,"ax",%progbits
Default_Handler:
Infinite_Loop:
  b Infinite_Loop
  .size Default_Handler, .-Default_Handler

之后是中斷向量表。這里為了縮減示例代碼長(zhǎng)度，略去了中間的中斷函數(shù)定義。注意在初始處 .section .isr_vector,"a",%progbits語(yǔ)句指定了g_pfnVectors在鏈接是需要被放置在isr_vector段落，也就是閃存起始地址處。

/******************************************************************************
*
* The minimal vector table for a Cortex M3.  Note that the proper constructs
* must be placed on this to ensure that it ends up at physical address
* 0x0000.0000.
*
******************************************************************************/
  .section .isr_vector,"a",%progbits
  .type g_pfnVectors, %object
  .size g_pfnVectors, .-g_pfnVectors


g_pfnVectors:

  .word _estack
  .word Reset_Handler
  .word NMI_Handler
  .word HardFault_Handler
  .word MemManage_Handler
  .word BusFault_Handler
  .word UsageFault_Handler
  .word 0
  .word 0
  .word 0
  .word 0
  .word SVC_Handler
  .word DebugMon_Handler
  .word 0
  .word PendSV_Handler
  .word SysTick_Handler
  .word WWDG_IRQHandler
  .word PVD_IRQHandler
……

在中斷向量表的定義之后，程序還將所有函數(shù)定義為.weak。也就是說(shuō)如果開(kāi)發(fā)者在其他地方重新定義了同樣名稱(chēng)的中斷函數(shù)，那么默認(rèn)的中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)會(huì)被自動(dòng)覆蓋。weak是GNU GCC編譯器定義的關(guān)鍵詞，如果采用其他編譯器會(huì)有對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞。

/*******************************************************************************
*
* Provide weak aliases for each Exception handler to the Default_Handler.
* As they are weak aliases, any function with the same name will override
* this definition.
*
*******************************************************************************/

  .weak NMI_Handler
  .thumb_set NMI_Handler,Default_Handler

  .weak HardFault_Handler
  .thumb_set HardFault_Handler,Default_Handler

  .weak MemManage_Handler
  .thumb_set MemManage_Handler,Default_Handler

  .weak BusFault_Handler
  .thumb_set BusFault_Handler,Default_Handler

  .weak UsageFault_Handler
  .thumb_set UsageFault_Handler,Default_Handler
……

2.2 中斷向量表偏移寄存器

ARM Cortex-M默認(rèn)的中斷向量表地址位于閃存起始地址處。但是ARM Cortex-M3/4系列提供了一個(gè)中斷向量表偏移寄存器（Vector Table Offset Reigster）。系統(tǒng)中中斷向量表的位置是0x00000000加上偏移寄存器的值。上電復(fù)位后這個(gè)寄存器值為0，所以中斷向量表默認(rèn)位于0x00000000閃存起始處。這個(gè)寄存器的目的是為了讓開(kāi)發(fā)者可以重新設(shè)置中斷向量表的位置。

中斷向量表偏移寄存器第29位（bit 29）定義了中斷向量表的位置。0表示位于閃存程序（code）中，1表示位于內(nèi)存中（SRAM）。

中斷向量表寄存器低7位（bit 6~0）為系統(tǒng)預(yù)留位。

偏移地址寄存器值有對(duì)齊要求。這個(gè)要求和系統(tǒng)中斷數(shù)量或者說(shuō)中斷向量表長(zhǎng)度相關(guān)。偏移地址寄存器值至少是128 （32words = 128bytes）的整數(shù)倍，這也意味著中斷偏移寄存器中地址的低7位始終會(huì)是0。如果系統(tǒng)中斷數(shù)量大于16個(gè)，則總中斷數(shù)為ARM預(yù)留的16個(gè)中斷加上n個(gè)系統(tǒng)中斷。如果（n+2）不為2的指數(shù)，則向上找到最近的2的指數(shù)m。每個(gè)地址為4bytes所以對(duì)齊要求為m*4。例如系統(tǒng)有21個(gè)中斷，加上ARM預(yù)留的16個(gè)中斷位，則中斷向量表有效長(zhǎng)度為37words。最近的2的指數(shù)值為64words = 256bytes。所以偏移寄存器的值必須為256的整數(shù)倍。

3 NVIC 簡(jiǎn)介

在講如何配置中斷優(yōu)先級(jí)之前，我們需要先了解下 NVIC。NVIC 是嵌套向量中斷控制器，控制著整個(gè)芯片中斷相關(guān)的功能，它跟內(nèi)核緊密耦合，是內(nèi)核里面的一個(gè)外設(shè)。但是各個(gè)芯片廠商在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候會(huì)對(duì) Cortex-M內(nèi)核里面的 NVIC 進(jìn)行裁剪，把不需要的部分去掉，所以說(shuō) STM32 的 NVIC 是 Cortex-M的 NVIC 的一個(gè)子集。

3.1 NVIC 寄存器簡(jiǎn)介

在固件庫(kù)中， NVIC 的結(jié)構(gòu)體定義可謂是頗有遠(yuǎn)慮，給每個(gè)寄存器都預(yù)留了很多位，恐怕為的是日后擴(kuò)展功能。不過(guò) STM32F103 可用不了這么多，只是用了部分而已，具體使用了多少可參考《Cortex-M3內(nèi)核編程手冊(cè)》的NVIC 寄存器映射。

[ps] NVIC 結(jié)構(gòu)體定義，來(lái)自固件庫(kù)頭文件： core_cm3.h。

在配置中斷的時(shí)候我們一般只用 ISER、 ICER 和 IP 這三個(gè)寄存器， ISER 用來(lái)使能中斷， ICER 用來(lái)失能中斷，IP 用來(lái)設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)。

3.2 NVIC 中斷配置固件庫(kù)

固件庫(kù)文件 core_cm3.h 的最后，還提供了 NVIC 的一些函數(shù)，這些函數(shù)遵循 CMSIS 規(guī)則，只要是 Cortex-M3 的處理器都可以使用，具體如下：

表3符合 CMSIS 標(biāo)準(zhǔn)的 NVIC 庫(kù)函數(shù)

這些庫(kù)函數(shù)我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候用的都比較少，甚至基本都不用。

4 優(yōu)先級(jí)的定義

4.1 優(yōu)先級(jí)定義

在 NVIC 有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寄存器：中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 NVIC_IPRx，用來(lái)配置外部中斷的優(yōu)先級(jí)， IPR 寬度為 8bit，原則上每個(gè)外部中斷可配置的優(yōu)先級(jí)為 0~255，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。但是絕大多數(shù) CM3 芯片都會(huì)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，以致實(shí)際上支持的優(yōu)先級(jí)數(shù)減少，在F103 中，只使用了高 4bit，如下所示：

表4 STM32F103 使用 4bit 表達(dá)優(yōu)先級(jí)

用于表達(dá)優(yōu)先級(jí)的這 4bit，又被分組成搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)。如果有多個(gè)中斷同時(shí)響應(yīng)，搶占優(yōu)先級(jí)高的就會(huì) 搶占 搶占優(yōu)先級(jí)低的優(yōu)先得到執(zhí)行，如果搶占優(yōu)先級(jí)相同，就比較子優(yōu)先級(jí)。如果搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)都相同的話，就比較他們的硬件中斷編號(hào)，編號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)越高。

4.2 優(yōu)先級(jí)分組

優(yōu)先級(jí)的分組由內(nèi)核外設(shè) SCB 的應(yīng)用程序中斷及復(fù)位控制寄存器 AIRCR 的PRIGROUP[10:8]位決定，STM32F103 分為了 5 組，具體如下：主優(yōu)先級(jí)=搶占優(yōu)先級(jí)。

表5優(yōu)先級(jí)分組

設(shè)置優(yōu)先級(jí)分組可調(diào)用庫(kù)函數(shù) NVIC_PriorityGroupConfig()實(shí)現(xiàn)，有關(guān) NVIC 中斷相關(guān)的庫(kù)函數(shù)都在庫(kù)文件 misc.c 和 misc.h 中。

/**
  * 配置中斷優(yōu)先級(jí)分組：搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)
 * 形參如下：
 * @arg NVIC_PriorityGroup_0: 0bit for 搶占優(yōu)先級(jí)
 *                            4 bits for 子優(yōu)先級(jí)
 * @arg NVIC_PriorityGroup_1: 1 bit for 搶占優(yōu)先級(jí)
 *                            3 bits for 子優(yōu)先級(jí)
 * @arg NVIC_PriorityGroup_2: 2 bit for 搶占優(yōu)先級(jí)
 *                            2 bits for 子優(yōu)先級(jí)
 * @arg NVIC_PriorityGroup_3: 3 bit for 搶占優(yōu)先級(jí)
 *                            1 bits for 子優(yōu)先級(jí)
 * @arg NVIC_PriorityGroup_4: 4 bit for 搶占優(yōu)先級(jí)
 *                            0 bits for 子優(yōu)先級(jí)
 * @注意 如果優(yōu)先級(jí)分組為 0，則搶占優(yōu)先級(jí)就不存在，優(yōu)先級(jí)就全部由子優(yōu)先級(jí)控制
 */
 void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
 {
     // 設(shè)置優(yōu)先級(jí)分組
     SCB- >AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
 }

表6 優(yōu)先級(jí)分組真值表

5 中斷編程

在配置每個(gè)中斷的時(shí)候一般有 3 個(gè)編程要點(diǎn)：

1、使能外設(shè)某個(gè)中斷，這個(gè)具體由每個(gè)外設(shè)的相關(guān)中斷使能位控制。比如串口有發(fā)送完成中斷，接收完成中斷，這兩個(gè)中斷都由串口控制寄存器的相關(guān)中斷使能位控制。

2、初始化 NVIC_InitTypeDef 結(jié)構(gòu)體，配置中斷優(yōu)先級(jí)分組，設(shè)置搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)，使能中斷請(qǐng)求。 NVIC_InitTypeDef 結(jié)構(gòu)體在固件庫(kù)頭文件 misc.h 中定義。

typedef struct {
    uint8_t NVIC_IRQChannel; // 中斷源
    uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority; // 搶占優(yōu)先級(jí)
    uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; // 子優(yōu)先級(jí)
    FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; // 中斷使能或者失能
} NVIC_InitTypeDef;

有關(guān) NVIC 初始化結(jié)構(gòu)體的成員我們一一解釋下：

1） NVIC_IROChannel：用來(lái)設(shè)置中斷源，不同的中斷中斷源不一樣，且不可寫(xiě)錯(cuò)，即使寫(xiě)錯(cuò)了程序也不會(huì)報(bào)錯(cuò)，只會(huì)導(dǎo)致不響應(yīng)中斷。具體的成員配置可參考 stm32f10x.h 頭文件里面的 IRQn_Type 結(jié)構(gòu)體定義，這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了所有的中斷源。

typedef enum IRQn {
    //Cortex-M3 處理器異常編號(hào)
    NonMaskableInt_IRQn = -14,
    MemoryManagement_IRQn = -12,
    BusFault_IRQn = -11,
    UsageFault_IRQn = -10,
    SVCall_IRQn = -5,
    DebugMonitor_IRQn = -4,
    PendSV_IRQn = -2,
   SysTick_IRQn = -1,
   //STM32 外部中斷編號(hào)
   WWDG_IRQn = 0,
   PVD_IRQn = 1,
   TAMP_STAMP_IRQn = 2,

   //限于篇幅，中間部分代碼省略，具體的可查看庫(kù)文件 stm32f10x.h

   DMA2_Channel2_IRQn = 57,
   DMA2_Channel3_IRQn = 58,
   DMA2_Channel4_5_IRQn = 59
} IRQn_Type;

2） NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：搶占優(yōu)先級(jí)，具體的值要根據(jù)優(yōu)先級(jí)分組來(lái)確定，具體參考表6優(yōu)先級(jí)分組真值表 。

3） NVIC_IRQChannelSubPriority：子優(yōu)先級(jí)，具體的值要根據(jù)優(yōu)先級(jí)分組來(lái)確定，具體參考表6優(yōu)先級(jí)分組真值表 。

4） NVIC_IRQChannelCmd：中斷使能（ ENABLE）或者失能（ DISABLE）。操作的是 NVIC_ISER 和 NVIC_ICER 這兩個(gè)寄存器。

3、編寫(xiě)中斷服務(wù)函數(shù)

在啟動(dòng)文件 startup_stm32f10x_hd.s 中我們預(yù)先為每個(gè)中斷都寫(xiě)了一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，只是這些中斷函數(shù)都是為空，為的只是初始化中斷向量表。實(shí)際的中斷服務(wù)函數(shù)都需要我們重新編寫(xiě)，為了方便管理我們把中斷服務(wù)函數(shù)統(tǒng)一寫(xiě)在 stm32f10x_it.c 這個(gè)庫(kù)文件中。關(guān)于中斷服務(wù)函數(shù)的函數(shù)名必須跟啟動(dòng)文件里面預(yù)先設(shè)置的一樣，如果寫(xiě)錯(cuò)，系統(tǒng)就在中斷向量表中找不到中斷服務(wù)函數(shù)的入口，直接跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)文件里面預(yù)先寫(xiě)好的空函數(shù)，并且在里面無(wú)限循環(huán)，實(shí)現(xiàn)不了中斷。

審核編輯：湯梓紅