一、前言

中斷是什么？舉個(gè)例子來說，當(dāng)我們正在工作時(shí)，突然電話響了，這時(shí)你會(huì)把手里的工作先停下來，然后去接電話，當(dāng)接完電話后，電話里的人安排你馬上做一件事，這時(shí)你需要立刻去做這件事，當(dāng)把這件事做完后你會(huì)繼續(xù)之前被打斷的工作，這個(gè)過程為一次中斷。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，中斷指計(jì)算機(jī)CPU獲知某些事，暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行處理該事件的程序，當(dāng)這段程序執(zhí)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行之前的程序。整個(gè)過程稱為中斷處理，簡稱中斷，而引起這一過程的事件稱為中斷事件。中斷是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行的關(guān)鍵，也是操作系統(tǒng)工作的根本。中斷能提高CPU的效率，同時(shí)能對突發(fā)事件做出實(shí)時(shí)處理。實(shí)現(xiàn)程序的并行化，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)程之間的切換。

后續(xù)將從以下圖1中所示的幾個(gè)方面對STM32的中斷系統(tǒng)進(jìn)行基本的解析。

圖1 中斷系統(tǒng)學(xué)習(xí)框架

二、 基本原理概述

圖2 基本原理概述

1、中斷的作用

（1）速度匹配，提高機(jī)器系統(tǒng)效率。 系統(tǒng)中處理機(jī)的工作速度遠(yuǎn)高于外圍設(shè)備的工作速度。通過中斷可以協(xié)調(diào)它們之間的工作。當(dāng)外圍設(shè)備需要與處理機(jī)交換信息時(shí)，由外圍設(shè)備向處理機(jī)發(fā)出中斷請求，處理機(jī)及時(shí)響應(yīng)并作相應(yīng)處理。不交換信息時(shí)，處理機(jī)和外圍設(shè)備處于各自獨(dú)立的并行工作狀態(tài)。

（2）分時(shí)操作，維持系統(tǒng)可靠正常工作。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，程序員不能直接干預(yù)和操縱機(jī)器，必須通過中斷系統(tǒng)向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，由操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)。主存儲器中往往有多道程序和各自的存儲空間。在程序運(yùn)行過程中，如出現(xiàn)越界訪問，有可能引起程序混亂或相互破壞信息。為避免這類事件的發(fā)生，由存儲管理部件進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)生越界訪問，向處理機(jī)發(fā)出中斷請求，處理機(jī)立即采取保護(hù)措施。

（3）實(shí)時(shí)響應(yīng)，滿足實(shí)時(shí)處理要求。 在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各種監(jiān)測和控制裝置隨機(jī)地向處理機(jī)發(fā)出中斷請求，處理機(jī)隨時(shí)響應(yīng)并進(jìn)行處理。

（4）提供故障現(xiàn)場處理手段，可靠性高。 處理機(jī)中設(shè)有各種故障檢測和錯(cuò)誤診斷的部件，一旦發(fā)現(xiàn)故障或錯(cuò)誤，立即發(fā)出中斷請求，進(jìn)行故障現(xiàn)場記錄和隔離，為進(jìn)一步處理提供必要的依據(jù)。

2、中斷和異常

ARM公司設(shè)計(jì)了如Cortex-M3或Cortex-M4內(nèi)核，這個(gè)內(nèi)核就包含了中斷系統(tǒng)框架，ST公司根據(jù)該內(nèi)核，因地制宜的設(shè)計(jì)了STM32系列產(chǎn)品。

CPU內(nèi)核中斷和核外外設(shè)中斷，其中內(nèi)核中斷，在官方手冊上，內(nèi)核中斷叫異常(exception)和核外外設(shè)中斷才叫中斷(interrupt)，其實(shí)是一回事。

ARM Cortex M3內(nèi)核支持256個(gè)中斷，包括16個(gè)內(nèi)核中斷和240個(gè)外設(shè)中斷，擁有256個(gè)中斷優(yōu)先級別。

◆Cortex-M4內(nèi)核支持256個(gè)中斷，其中包含了16個(gè)內(nèi)核中斷和240個(gè)外部中斷，并且具有256級的可編程中斷設(shè)置。

◆STM32并沒有使用Cortex-M4內(nèi)核的全部東西，而是只用了它的一部分，中斷數(shù)量及中斷優(yōu)先級也進(jìn)行裁剪用了一部分。

◆STM32的每個(gè)外設(shè)都可以產(chǎn)生中斷，如STM32F407系列一共有98個(gè)中斷，包括16個(gè)內(nèi)核中斷和82個(gè)可屏蔽中斷，具有16級可編程的中斷優(yōu)先級。

通常，把CPU內(nèi)部產(chǎn)生的緊急事件叫做異常。異常通常是微處理器內(nèi)部發(fā)生的，大多是軟件引起的，比如比如非法指令（除零）、地址訪問越界、特權(quán)調(diào)用異常等待。異常是指由于cpu本身故障、程序故障或者請求服務(wù)等引起的錯(cuò)誤，異常屬于不正常現(xiàn)象。

把來自CPU外部的片上外設(shè)產(chǎn)生的緊急事件叫做中斷。中斷是微處理器外部發(fā)送的，通過中斷通道送入處理器內(nèi)部，一般是硬件引起的，比如GPIO引腳電平變化、定時(shí)器溢出、串口接收中斷等。中斷是指系統(tǒng)停止當(dāng)前正在運(yùn)行的程序轉(zhuǎn)而其他服務(wù)，可能是程序接收了比自身高優(yōu)先級的請求，或者是人為設(shè)置中斷，中斷是屬于正常現(xiàn)象。

不管是中斷還是異常，異常與中斷都是硬件支持的，微處理器通常都有相應(yīng)的中斷/異常服務(wù)程序，異常和中斷的效果基本一致，都是暫停當(dāng)前任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行緊急事件。

圖3 異常和中斷編號表

所有的異常和中斷用一個(gè)表管理起來，編號為0~15 的稱為內(nèi)核異常（需要說明的是，16個(gè)編號的內(nèi)核中斷，但是STM32本身的內(nèi)核中斷是11個(gè)，還有5個(gè)是保留的沒用的），而 16 以上的則稱為核外（外部）中斷（相對內(nèi)核而言，對于不同系列的STM32,大致的編號和數(shù)量相同，但是對于高級的，因?yàn)槠贤庠O(shè)要多一些，所以中斷的數(shù)量也會(huì)多一些），這個(gè)表就稱為中斷向量表。這個(gè)中斷向量表，這個(gè)中斷向量表，本質(zhì)上可以理解成一個(gè)4個(gè)字節(jié)類型Int的數(shù)組，每一個(gè)元素就是放的是對應(yīng)編號的中，外部中斷是我們必須學(xué)習(xí)掌握的知識，包含線中斷，定時(shí)器中斷，I2C，SPI等所有的外設(shè)中斷，可配置優(yōu)先級。

Reset（ 復(fù)位）、NMI（ Non Maskable Interrupt，不可屏蔽中斷）、HardFault（ 硬件異常）的優(yōu)先級是固定的，且優(yōu)先級是負(fù)數(shù)，也就是最高的（優(yōu)先級數(shù)字越小，優(yōu)先級越高）。剩下的異常或中斷，都是可以通過修改NVIC的寄存器調(diào)整優(yōu)先級（ 但不能設(shè)置為負(fù)數(shù)）。NVIC作為在內(nèi)核里的外設(shè)，也是通過存儲器映射的方式訪問。

3、NVIC中斷控制器

有如此多的中斷信號， CPU如何去控制它呢？內(nèi)核有一個(gè)專門管理中斷的外設(shè)NVIC(嵌套向量中斷控制器)，可以實(shí)現(xiàn)低延遲的中斷處理和晚到中斷的高效處理，通過優(yōu)先級控制中斷的嵌套和調(diào)度來管理；NVIC是一個(gè)總的中斷控制器，無論是來在內(nèi)核的異常還是外設(shè)的外部中斷， 都由NVIC統(tǒng)一進(jìn)行管理。NVIC收到外設(shè)的中斷請求，會(huì)將其中斷請求發(fā)送給內(nèi)核，內(nèi)核收到NVIC的中斷通知之后，就會(huì)去判斷此時(shí)哪個(gè)中斷發(fā)生，然后查找FLASH中斷向量表去獲取相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。

它具有以下特征：

（1）支持嵌套和向量中斷；

（2）自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)；

（3）動(dòng)態(tài)改變優(yōu)先級；

（4）簡化的和確定的中斷時(shí)間。

帶來的優(yōu)勢：

（1）響應(yīng)速度提高；

（2）標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一管理。

圖4 NVIC在芯片上的位置

4、中斷的分類

中斷按事件來源分類，可以分為外部中斷和內(nèi)部中斷。中斷事件來自于內(nèi)核外部的被稱為外部中斷，來自于內(nèi)核內(nèi)部的則為內(nèi)部中斷。

進(jìn)一步細(xì)分，外部中斷還可分為可屏蔽中斷（maskable interrupt）和不可屏蔽中斷（non-maskable interrupt）兩種，而內(nèi)部中斷按事件是否正常來劃分可分為軟中斷和異常兩種。

外部中斷的中斷事件來源于內(nèi)核外部，必然是某個(gè)硬件產(chǎn)生的，所以外部中斷又被稱為硬件中斷（hardware interrupt）。計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，如網(wǎng)卡、聲卡、顯卡等都能產(chǎn)生中斷。外部設(shè)備的中斷信號是通過兩根信號線通知CPU的，一根是IRQ，另一根是NMI。CPU從IRQ收到的中斷信號都是不影響系統(tǒng)運(yùn)行的，CPU可以選擇屏蔽（通過設(shè)置中斷屏蔽寄存器中的IF位），而從NMI中收到的中斷信號則是影響系統(tǒng)運(yùn)行的嚴(yán)重錯(cuò)誤，不可屏蔽，因?yàn)槠帘蔚囊饬x不大，系統(tǒng)已經(jīng)無法運(yùn)行。

內(nèi)部中斷來自于內(nèi)核內(nèi)部，其中軟中斷是由軟件主動(dòng)發(fā)起的中斷，常被用于系統(tǒng)調(diào)用（system call），任務(wù)切換（PendSV）等；而異常則是指令執(zhí)行期間CPU內(nèi)部產(chǎn)生的錯(cuò)誤引起的。異常也和不可屏蔽中斷區(qū)別在于不可屏蔽中斷發(fā)生的事件會(huì)導(dǎo)致處理器無法運(yùn)行（如斷電、電源故障等），而異常則是影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的中斷（如除0、越界訪問等）。

三、 中斷管理機(jī)制

圖5 中斷管理機(jī)制要素

1、中斷向量

由于CPU隨時(shí)都可能檢測到中斷信息，也就是說，CPU 隨時(shí)都可能執(zhí)行中斷處理程序，所以中斷處理程序必須一直存儲在內(nèi)存某段空間之中。中斷處理程序在內(nèi)存中的入口地址稱為中斷向量；而要確定中斷處理程序的入口地址，處理器利用了一種向量表機(jī)制：即中斷向量，必須存儲在對應(yīng)的中斷向量表表項(xiàng)中。采用向量表處理中斷，處理器會(huì)從存儲器的向量表中，自動(dòng)定位中斷的程序入口。從發(fā)生中斷到中斷的處理中間的時(shí)間被縮減。

STM32的內(nèi)部閃存地址起始于0x8000000，一般情況下，程序文件就從此地址開始寫入。此外STM32其內(nèi)部通過“中斷向量表”來響應(yīng)中斷，程序啟動(dòng)后，將首先從“中斷向量表”取出復(fù)位中斷向量執(zhí)行復(fù)位中斷程序完成啟動(dòng)。而這張“中斷向量表”的起始地址是0x8000004，當(dāng)中斷來臨，STM32的內(nèi)部硬件機(jī)制亦會(huì)自動(dòng)將PC指針定位到“中斷向量表”處，并根據(jù)中斷源取出對應(yīng)的中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

圖6 中斷向量執(zhí)行

(1)STM32復(fù)位后，會(huì)從地址為0x8000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序，如圖6中標(biāo)號①所示。

(2)復(fù)位中斷服務(wù)程序執(zhí)行的最終結(jié)果是跳轉(zhuǎn)至C程序的main函數(shù)，如圖6中標(biāo)號②所示，而main函數(shù)應(yīng)該是一個(gè)死循環(huán)，是一個(gè)永不返回的函數(shù)。

(3)在main函數(shù)執(zhí)行的過程中，發(fā)生了一個(gè)中斷請求，此時(shí)STM32的硬件機(jī)制會(huì)將PC指針強(qiáng)制指回中斷向量表處，如圖6中標(biāo)號③所示。

(4)根據(jù)中斷源進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，如圖6中標(biāo)號④所示。

(5)中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，程序再度返回至main函數(shù)中執(zhí)行，如圖6中標(biāo)號⑤所示。

2、中斷優(yōu)先級

中斷優(yōu)先級通過優(yōu)先級配置寄存器進(jìn)行配置，本寄存器寬度為8位，原則上每個(gè)中斷可配置編程的優(yōu)先級為0255，實(shí)際上可編程優(yōu)先級的實(shí)際數(shù)量由芯片設(shè)計(jì)商決定，多數(shù)Cortex-M3或Cortex-M4芯片支持的優(yōu)先級較少，這是因?yàn)榇罅康膬?yōu)先級會(huì)增加NVIC的復(fù)雜度，而且會(huì)增加功耗降低速度，多數(shù)情況下，應(yīng)用程序只需要少量的編程優(yōu)先級，因此芯片廠商需要基于目標(biāo)應(yīng)用的優(yōu)先級數(shù)量設(shè)計(jì)處理器優(yōu)先級，優(yōu)先級的減少是通過去除優(yōu)先級配置寄存器的低位實(shí)現(xiàn)，STM32只用到了中斷優(yōu)先級寄存器的的高4位。如圖，使用到了bit7到bit4，最多可以配置016個(gè)中斷優(yōu)先級：

圖7 4位優(yōu)先級寄存器

這個(gè)4 位數(shù)字的位數(shù)分可以配成搶占優(yōu)先級部分和響應(yīng)優(yōu)先級部分，因此可以有5組配置選擇：

圖8 中斷優(yōu)先級描述

優(yōu)先級數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。

搶占優(yōu)先級，是指打斷其他中斷的屬性，即因?yàn)榫哂羞@個(gè)屬性會(huì)出現(xiàn)嵌套中斷，搶占優(yōu)先級的概念等同于單片機(jī)中的常規(guī)中斷。假設(shè)有兩中斷先后觸發(fā)，已經(jīng)在執(zhí)行的中斷搶占優(yōu)先級如果沒有后觸發(fā)的中斷搶占優(yōu)先級更高，就會(huì)先處理搶占優(yōu)先級高的中斷。也就是說有較高的搶占優(yōu)先級的中斷可以打斷搶占優(yōu)先級較低的中斷。

響應(yīng)優(yōu)先級也叫做亞優(yōu)先級或者子優(yōu)先級， 響應(yīng)屬性則應(yīng)用在搶占屬性相同的情況下，當(dāng)兩個(gè)中斷向量的搶占優(yōu)先級相同時(shí)，如果兩個(gè)中斷同時(shí)到達(dá)，則先處理響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷。

回到優(yōu)先級上來。具有高搶占式優(yōu)先級的中斷可以在具有低搶占式優(yōu)先級的中斷處理過程中被響應(yīng)，即中斷嵌套，或者說高搶占式優(yōu)先級的中斷可以嵌套在低搶占式優(yōu)先級的中斷中。當(dāng)兩個(gè)中斷源的搶占式優(yōu)先級相同時(shí)，這兩個(gè)中斷將沒有嵌套關(guān)系，當(dāng)一個(gè)中斷到來后，如果正在處理另一個(gè)中斷，這個(gè)后到來的中斷就要等到前一個(gè)中斷處理完之后才能被處理。如果這兩個(gè)中斷同時(shí)到達(dá)，則中斷控制器根據(jù)他們的響應(yīng)優(yōu)先級高低來決定先處理哪一個(gè)；如果他們的搶占式優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級都相等，則根據(jù)他們在中斷向量表中的排位順序決定先處理哪一個(gè)，中斷向量表排在前面的中斷優(yōu)先級高。

看了上面的介紹后，相信大家都明白了這里面的關(guān)系了，總結(jié)下就是：搶占式優(yōu)先級>響應(yīng)優(yōu)先級>中斷表中的排位順序。

3、中斷嵌套

中斷嵌套是指中斷系統(tǒng)正在執(zhí)行一個(gè)中斷服務(wù)時(shí)，有另一個(gè)優(yōu)先級更高的中斷提出中斷請求，這時(shí)會(huì)暫時(shí)終止當(dāng)前正在執(zhí)行的級別較低的中斷源的服務(wù)程序，去處理級別更高的中斷源，待處理完畢，再返回到被中斷了的中斷服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。

在STM32中，只有搶占優(yōu)先級才決定了中斷嵌套。

如下圖所示，搶占優(yōu)先級高的任務(wù)出現(xiàn)后，會(huì)打斷搶占優(yōu)先級低的任務(wù)，即所謂的中斷嵌套。例如：

圖9 中斷嵌套示意圖

搶占優(yōu)先級為N的中斷任務(wù)正在運(yùn)行，此時(shí)，搶占優(yōu)先級為2的中斷產(chǎn)生，則MCU會(huì)將搶占優(yōu)先級為N的任務(wù)暫時(shí)停止，先響應(yīng)執(zhí)行中斷優(yōu)先級為2的任務(wù)，待該任務(wù)完成后，再來完成搶占優(yōu)先級為N的任務(wù)。

若是搶占優(yōu)先級為2的中斷正在運(yùn)行，又有新的搶占優(yōu)先級為2的中斷產(chǎn)生，則新產(chǎn)生的中斷會(huì)等待當(dāng)前中斷任務(wù)完成后，再執(zhí)行新產(chǎn)生的中斷。

若是搶占優(yōu)先級相同的任務(wù)同時(shí)產(chǎn)生，則響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷先執(zhí)行。若是搶占優(yōu)先級，響應(yīng)優(yōu)先級均相同的中斷同時(shí)產(chǎn)生，則根據(jù)該中斷在中斷向量表的順序來執(zhí)行中斷任務(wù)。

四、 中斷處理流程

圖10 中斷處理流程

下圖為中斷處理流程示意圖，可以概括性的將處理流程分為：進(jìn)入中斷、中斷處理和退出中斷。

圖11 中斷處理示意

進(jìn)入中斷：

(1)中斷源發(fā)出請求，硬件判斷處理器是否允許中斷及該中斷是否被屏蔽，若允許中斷則當(dāng)前運(yùn)行的程序被打斷；

(2)處理器將各寄存器的內(nèi)容壓入堆棧保存，主要是PC, xPSR, R0-R3, R12, LR寄存器；

(3)根據(jù)中斷向量號，到中斷向量表中找到中斷服務(wù)程序的入口地址跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。

中斷處理：

(1)執(zhí)行中斷服務(wù)程序；

(2)遵循中斷優(yōu)先級和中斷嵌套的執(zhí)行規(guī)則。

退出中斷：

(1)將保存在堆棧中的現(xiàn)場信息彈出到原來的寄存器中；

(2)返回被原先被中斷的程序處繼續(xù)執(zhí)行。

五、總結(jié)

本篇主要是針對STM32的中斷系統(tǒng)，目前從基本原理，中斷管理機(jī)制，中斷處理流程這幾個(gè)方面對中斷的基本特性和概念進(jìn)行了較為詳細(xì)的概述，目的是為了在以后STM32的中斷使用中對中斷的理解有較好的幫助，也可以看出NVIC在STM32中起到的作用。在下一篇將繼續(xù)介紹中斷系統(tǒng)基礎(chǔ)知識之寄存器功能原理。