深入解析中斷處理在MCU開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵步驟

在嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，中斷處理是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。本篇博文將以STM32微控制器為核心案例，深入解析中斷處理在MCU開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵步驟和策略。

主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

中斷向量表。

NVIC（內(nèi)嵌向量中斷控制器）。

中斷使能。

中斷服務(wù)函數(shù)。

通過(guò)這篇博文，讀者將獲得對(duì)STM32 MCU中斷處理流程和邏輯的全面理解。

中斷向量表

中斷向量表是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)中斷服務(wù)程序的入口地址，這些地址被稱(chēng)為中斷向量。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到中斷向量表中對(duì)應(yīng)的地址，從而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序（函數(shù)）。這個(gè)表由半導(dǎo)體制造商預(yù)先定義，確保每個(gè)中斷都有一個(gè)唯一的入口地址。

在程序架構(gòu)中，中斷向量表位于最前面，起到了連接硬件中斷信號(hào)和相應(yīng)處理程序的橋梁作用。中斷向量表在整個(gè)程序的最前面，比如 STM32F103 的中斷向量表如下所示：

中斷向量表都是鏈接到代碼的最前面，比如一般 ARM 處理器都是從地址?0X00000000?開(kāi)始執(zhí)行指令的，那么中斷向量表就是從?0X00000000?開(kāi)始存放的。代碼第 1 行的“__initial_sp”就是第一條中斷向量，存放的是棧頂指針，接下來(lái)是第 2 行復(fù)位中斷復(fù)位函數(shù) Reset_Handler 的入口地址，依次類(lèi)推，直到第 27 行的最后一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)DMA2_Channel4_5_IRQHandler 的入口地址，這樣 STM32F103 的中斷向量表就建好了。

雖然ARM處理器默認(rèn)從地址0X00000000開(kāi)始執(zhí)行程序，但在學(xué)習(xí)STM32時(shí)，我們通常將代碼下載到從0X8000000地址開(kāi)始的存儲(chǔ)區(qū)域。這一做法似乎與處理器的初始執(zhí)行地址不符，看起來(lái)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。然而，為了解決這一潛在問(wèn)題，Cortex-M架構(gòu)引入了中斷向量表偏移的概念。這使得開(kāi)發(fā)者可以將中斷向量表放置在任何所需的地址位置。中斷向量表的具體偏移配置是在'SystemInit'函數(shù)中完成的，方法是向SCB_VTOR寄存器寫(xiě)入新的中斷向量表首地址。這種靈活的配置方式有效地克服了初始地址和程序存儲(chǔ)地址之間的潛在沖突，確保了中斷處理的正確進(jìn)行。

代碼如下所示：

第 8 行和第 10?行就是設(shè)置中斷向量表偏移，第 8 行是將中斷向量表設(shè)置到 RAM 中，第10?行是將中斷向量表設(shè)置到 ROM 中，基本都是將中斷向量表設(shè)置到 ROM 中，也就是地址0X8000000?處。第 10?行用到了 FALSH_BASE 和 VECT_TAB_OFFSET，這兩個(gè)都是宏，定義如下所示：

#define FLASH_BASE ((uint32_t)0x08000000)
#define VECT_TAB_OFFSET 0x0

因此第 10?行的代碼就是：SCB->VTOR=0X080000000，中斷向量表偏移設(shè)置完成。

2

NVIC（內(nèi)嵌向量中斷控制器）

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）是ARM Cortex-M微控制器的一個(gè)關(guān)鍵組件，用于管理中斷。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-M3的NVIC 的一個(gè)子集。

其主要功能包括：

中斷優(yōu)先級(jí)管理：NVIC允許為每個(gè)中斷分配不同的優(yōu)先級(jí)。這樣，當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，處理器可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)確定處理的順序，確保更重要的任務(wù)得到優(yōu)先處理。

嵌套中斷處理：NVIC支持中斷的嵌套。這意味著一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程，使得系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)更緊急的任務(wù)。

向量化中斷處理：每個(gè)中斷都有一個(gè)唯一的向量地址，該地址指向相應(yīng)的中斷服務(wù)例程。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，處理器可以直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)例程，無(wú)需通過(guò)傳統(tǒng)的中斷查詢(xún)方式，從而提高了處理速度。

中斷屏蔽與啟用：NVIC允許程序動(dòng)態(tài)地使能或禁用特定中斷。這種靈活性使得系統(tǒng)可以在不同的操作環(huán)境下，根據(jù)需要調(diào)整其中斷響應(yīng)。

中斷掛起與恢復(fù)：NVIC能夠掛起正在執(zhí)行的中斷，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候恢復(fù)中斷的處理。這對(duì)于管理復(fù)雜的中斷場(chǎng)景尤為重要。

中斷狀態(tài)管理：NVIC提供接口來(lái)查詢(xún)中斷的狀態(tài)，例如檢查哪些中斷處于掛起狀態(tài)或哪些中斷正在被處理。這有助于更好地理解和控制系統(tǒng)的行為。

低功耗模式支持：在低功耗模式下，NVIC可以幫助處理器在接收到中斷信號(hào)時(shí)喚醒，這對(duì)于節(jié)能和延長(zhǎng)電池使用壽命至關(guān)重要。

系統(tǒng)復(fù)位管理：NVIC還負(fù)責(zé)處理來(lái)自系統(tǒng)的復(fù)位請(qǐng)求，確保系統(tǒng)能夠在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)安全地重新啟動(dòng)。

通過(guò)查看STM32 NVIC寄存器，可以更清晰的解NVIC的主要功能：

/**
  中斷   NVIC 結(jié)構(gòu)體定義
 */
typedef struct
{
  __IO uint32_t ISER[8];                 /*!
?

	?

	?

	3

	中斷使能

	中斷使能是指允許特定的中斷源向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求的過(guò)程。當(dāng)一個(gè)中斷被使能后，如果相應(yīng)的事件發(fā)生（如外部信號(hào)、定時(shí)器溢出等），中斷控制器會(huì)捕捉到這個(gè)事件，并通知處理器中斷程序需要被執(zhí)行。

	中斷使能通常通過(guò)設(shè)置特定的控制寄存器來(lái)完成。這些寄存器可能是微控制器的一部分，也可能位于外部設(shè)備中。通過(guò)編寫(xiě)特定的值到這些寄存器，可以選擇性地使能或禁用特定的中斷。

	要使用某個(gè)外設(shè)的中斷，肯定要先使能這個(gè)外設(shè)的中斷，以 STM32F103 的 PE2 這個(gè) IO 為例，假如我們要使用 PE2 的輸入中斷肯定要使用如下代碼來(lái)使能對(duì)應(yīng)的中斷：
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //搶占優(yōu)先級(jí) 2，
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02;        //子優(yōu)先級(jí) 2
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;              //使能外部中斷通道
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
?4

	中斷服務(wù)函數(shù)

	中斷服務(wù)函數(shù)是響應(yīng)中斷的專(zhuān)門(mén)函數(shù)。當(dāng)特定的中斷事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)來(lái)處理該事件。

	當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，處理器暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，保存當(dāng)前任務(wù)的上下文（如寄存器狀態(tài)），然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行中斷處理。一旦中斷處理完成，處理器恢復(fù)之前任務(wù)的上下文，并繼續(xù)執(zhí)行被中斷的任務(wù)。

	

	同樣以 STM32F103 的 PE2 為例，其中斷服務(wù)函數(shù)如下所示：
/* 外部中斷 2 服務(wù)程序 */
void EXTI2_IRQHandler(void)
{
    /* 中斷處理代碼 */
}

	當(dāng) PE2 引腳的中斷觸發(fā)以后就會(huì)調(diào)用其對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù) EXTI2_IRQHandler，我們可以在函數(shù) EXTI2_IRQHandler 中添加中斷處理代碼。

	審核編輯：黃飛

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