【STM32】NVIC中断优先级管理（中断向量表）

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

STM32F1xx官方资料：
《STM32中文参考手册V10》-第9章 中断和事件

Cortex-M3内核支持256个中断，其中包含了16个内核中断（异常）和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置。但是，STM32并没有使用CM3内核的全部东西，而是只用了它的一部分。STM32有84个中断，包括16个内核中断（异常）和68个可屏蔽中断，具有16级可编程的中断优先级。而STM32F103系列上面，16个内核中断（异常）不变，而可屏蔽中断只有60个（在107系列才有68个）。

注意一下：CM3的外部中断和STM32的外部中断不是一个概念。CM3：除了内核异常之外的都是外部中断；STM32：外部中断EXTI只有6个

其实，内核中断也叫内核异常。

• 中断是指系统停止当前正在运行的程序转而其他服务，可能是程序接收了比自身高优先级的请求，或者是人为设置中断，中断是属于正常现象。 
• 异常是指由于cpu本身故障、程序故障或者请求服务等引起的错误，异常属于不正常现象。

因此，下面就直接介绍一下STM32F103系列的16个内核中断（异常）、60个中断：

在中断向量表中从优先级7-66（中断号从0-59）代表着STM32F103的60个中断。优先级号越小，优先级越高。当表中的某处异常或中断被触发，程序计数器指针（PC）将跳转到该异常或中断的地址处执行，该地址处存放这一条跳转指令，跳转到该异常或中断的服务函数处执行相应的功能。因此，异常和中断向量表只能用汇编语言编写。

在MDK中，有标准的异常和中断向量表文件可以使用（startup_stm32f10x_hd.s），在其中标明了中断处理函数的名称，不能随意定义。而中断通道NVIC_IRQChannel（即IRQn_Type类型）是在stm32f10x.h文件中进行了宏定义。

什么是NVIC？即嵌套向量中断控制器(Nested Vectored Interrupt Controller)。CM3的中有一个强大而方便的NVIC，它是属于Cortex内核的器件，中断向量表中60个中断都由它来处理。NVIC是Cortex-M3核心的一部分，关于它的资料不在《STM32的技术参考手册》中，应查阅ARM公司的《Cortex-M3技术参考手册》。Cortex-M3的向量中断统一由NVIC管理。

NVIC的核心功能是中断优先级分组、中断优先级的配置、读中断请求标志、清除中断请求标志、使能中断、清除中断等，它控制着STM32中断向量表中中断号为0-59的60个中断！！外部中断信号从核外发出，信号最终要传递到NVIC(嵌套向量中断控制器)。NVIC跟内核紧密耦合，它控制着整个芯片中断的相关功能。

STM32中断优先级分组

中断优先级分组寄存器

这60个中断，怎么管理呢？这就涉及到STM32的中断分组。STM32可以将中断分成5个组，分别为组0-4；同时，对每个中断设置一个抢占优先级和响应优先级。分组配置是由SCB->AIRCR寄存器的bit10-8来定义的。SCB->AIRCR是在哪里的呢？由于这是CM3内核定义的，在文档《Cortex-M3权威指南(中文)》中能查找到。

具体的分配关系如下所示：

其中AIRCR寄存器来确定是用哪种分组，IP寄存器是相对应于那种分组抢占优先级和响应优先级的分配比例。例如组设置成3，那么此时所有的60个中断优先寄存器高4位中的最高3位是抢占优先级，低1位为响应优先级。CM3中定义了8个Bit用于设置中断源的优先级，而STM32只选用其中的4个Bit。

抢占优先级的级别高于响应优先级，而数值越小所代表的的优先级越高。 

介绍一下抢占优先级、响应优先级的区别：

1. 高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低抢占优先级中断的；
2. 抢占优先级相同的中断，高响应优先级不可以打断低响应优先级的中断；
3. 抢占优先级相同的中断，当两个中断同时发生的情况下，哪个响应优先级高，哪个先执行；
4. 如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，则看哪个中断先发生就先执行；

除此之外有两点需要注意：

1. 打断的情况只会与抢占优先级有关， 和响应优先级无关！
2. 一般情况下，系统代码执行过程中，只设置一次中断优先级分组，比如分组2，设置好分组之后一般不会再改变分组。随意改变分组会导致中断管理混乱，程序出现意想不到的执行结果。

中断优先级分组库函数

CM3核的优先级分组方式，使用的设置函数NVIC_SetPriorityGrouping()。

接下来介绍STM32的中断优先级分组函数NVIC_PriorityGroupConfig()，用来进行中断分组设置的，此函数是在固件库下misc.c文件中（文件目录是：

STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Libraries\STM32F10x_StdPeriph_Driver\src\misc.c）：

void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(NVIC_PriorityGroup));
  
  /* Set the PRIGROUP[10:8] bits according to NVIC_PriorityGroup value */
  SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
}

函数的参数的取值，是在同文件中进行宏定义的：

#define NVIC_PriorityGroup_0         ((uint32_t)0x700) /*!< 0 bits for pre-emption priority
                                                            4 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_1         ((uint32_t)0x600) /*!< 1 bits for pre-emption priority
                                                            3 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_2         ((uint32_t)0x500) /*!< 2 bits for pre-emption priority
                                                            2 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_3         ((uint32_t)0x400) /*!< 3 bits for pre-emption priority
                                                            1 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_4         ((uint32_t)0x300) /*!< 4 bits for pre-emption priority
                                                            0 bits for subpriority */

STM32中断优先级管理

中断优先级设置寄存器

分组设置好了之后，怎么设置单个中断的抢占优先级和响应优先级？

MDK为与NVIC相关的寄存器定义了如下的结构体，控制着中断向量表中60个中断（由于与中断内核有关，定义在core_cm3.h文件中）：

typedef struct
{
  __IO uint32_t ISER[8];                      /*!< Offset: 0x000  Interrupt Set Enable Register           */
       uint32_t RESERVED0[24];                                   
  __IO uint32_t ICER[8];                      /*!< Offset: 0x080  Interrupt Clear Enable Register         */
       uint32_t RSERVED1[24];                                    
  __IO uint32_t ISPR[8];                      /*!< Offset: 0x100  Interrupt Set Pending Register          */
       uint32_t RESERVED2[24];                                   
  __IO uint32_t ICPR[8];                      /*!< Offset: 0x180  Interrupt Clear Pending Register        */
       uint32_t RESERVED3[24];                                   
  __IO uint32_t IABR[8];                      /*!< Offset: 0x200  Interrupt Active bit Register           */
       uint32_t RESERVED4[56];                                   
  __IO uint8_t  IP[240];                      /*!< Offset: 0x300  Interrupt Priority Register (8Bit wide) */
       uint32_t RESERVED5[644];                                  
  __O  uint32_t STIR;                         /*!< Offset: 0xE00  Software Trigger Interrupt Register     */
}  NVIC_Type;     

我们依次介绍一下这些寄存器：

先介绍几个寄存器组长度为8，这些寄存器是32位寄存器。由于STM32只有60个可屏蔽中断，8个32位寄存器中只需要2个就有64位了，每1位控制一个中断。

• ISER[8]（Interrupt Set-Enable Registers）：中断使能寄存器。其中只使用到了ISER[0]和ISER[1]，ISER[0]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ISER[1]的bit0~27对应中断32~59。要使能某个中断，就必须设置相应的ISER位为1，使该中断被使能（这仅仅是使能，还要配合中断分组、屏蔽、I/O口映射等设置才算完整）。具体每一位对应哪个中断参考stm32f103x.h里面第140行。
• ICER[8]（Interrupt Clear-Enable Registers）：中断移除寄存器。该寄存器的作用于ISER相反。这里专门设置一个ICER来清除中断位，而不是向ISER位写0，是因为NVIC的寄存器写1有效，写0无效。
• ISPR[8]（Interrupt Set-Pending Registers）：中断挂起控制寄存器。通过置1可以将正在进行的中断挂起，执行同级或者更高级别的中断。写0无效。
• ICPR[8]（Interrupt Clear-Pending Registers）：中断解挂控制寄存器。通过置1可以将正在挂起的中断解挂。写0无效。
• IABR[8]（Interrupt Active-Bit Registers）：中断激活标志位寄存器。这是一个只读寄存器，可以知道当前在执行的中断是哪一个（为1），在中断执行完后硬件自动清零。

最后，介绍一个寄存器组长度为240，这个寄存器为8位寄存器。240个8位寄存器，每个中断使用一个寄存器来确定优先级。由于CM3由240个外部中断，所以这个寄存器组的数目就是240（注意与上面寄存器的区别，一个是一个寄存器控制一个，一个是一位控制一个）。

• IP[240]（Interrupt Priority Registers）：中断优先级控制的寄存器。这是用来控制每个中断的优先级。由于STM32F10x系列一共60个可屏蔽中断，故使用IP[59]~IP[0]。其中每个IP寄存器的高4位[7:4]用来设置抢占和响应优先级（根据分组），低4位没有用到。而两个优先级各占几个位又要由上面讲到的中断优先级分组决定。

中断优先级设置库函数

接下来介绍如何使用库函数实现中断优先级管理，这里使用NVIC_Init()函数来进行对每个中断优先级的设置（misc.c文件中）：

void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct)
{
  uint32_t tmppriority = 0x00, tmppre = 0x00, tmpsub = 0x0F;
  
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelCmd));
  assert_param(IS_NVIC_PREEMPTION_PRIORITY(NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelPreemptionPriority));  
  assert_param(IS_NVIC_SUB_PRIORITY(NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelSubPriority));
    
  if (NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelCmd != DISABLE)
  {
    /* Compute the Corresponding IRQ Priority --------------------------------*/    
    tmppriority = (0x700 - ((SCB->AIRCR) & (uint32_t)0x700))>> 0x08;
    tmppre = (0x4 - tmppriority);
    tmpsub = tmpsub >> tmppriority;

    tmppriority = (uint32_t)NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelPreemptionPriority << tmppre;
    tmppriority |=  NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelSubPriority & tmpsub;
    tmppriority = tmppriority << 0x04;
        
    NVIC->IP[NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel] = tmppriority;
    
    /* Enable the Selected IRQ Channels --------------------------------------*/
    NVIC->ISER[NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel >> 0x05] =
      (uint32_t)0x01 << (NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel & (uint8_t)0x1F);
  }
  else
  {
    /* Disable the Selected IRQ Channels -------------------------------------*/
    NVIC->ICER[NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel >> 0x05] =
      (uint32_t)0x01 << (NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel & (uint8_t)0x1F);
  }
}

其中，NVIC_InitTypeDef为一个结构体，它的成员变量为：

typedef struct
{
  uint8_t NVIC_IRQChannel;                    /*!< Specifies the IRQ channel to be enabled or disabled.
                                                   This parameter can be a value of @ref IRQn_Type 
                                                   (For the complete STM32 Devices IRQ Channels list, please
                                                    refer to stm32f10x.h file) */

  uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;  /*!< Specifies the pre-emption priority for the IRQ channel
                                                   specified in NVIC_IRQChannel. This parameter can be a value
                                                   between 0 and 15 as described in the table @ref NVIC_Priority_Table */

  uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority;         /*!< Specifies the subpriority level for the IRQ channel specified
                                                   in NVIC_IRQChannel. This parameter can be a value
                                                   between 0 and 15 as described in the table @ref NVIC_Priority_Table */

  FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd;         /*!< Specifies whether the IRQ channel defined in NVIC_IRQChannel
                                                   will be enabled or disabled. 
                                                   This parameter can be set either to ENABLE or DISABLE */   
} NVIC_InitTypeDef;

NVIC_InitTypeDef结构体有4个成员变量：

1. NVIC_IRQChannel：定义初始化的是哪一个中断，这个可以在stm32f10x.h文件中查到每个中断对应的名字，如USART1_IRQn；
2. NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：定义此中断的抢占优先级别；
3. NVIC_IRQChannelSubPriority：定义此中断的响应优先级别；
4. NVIC_IRQChannelCmd：该中断是否使能。

其实我们看NVIC_Init()函数内部使能中断，也是通过ISER寄存器配置的。这与我么之前的内容并不矛盾。函数内部使用NVIC->ISER，而NVIC是一个宏定义，

#define NVIC     ((NVIC_Type *) NVIC_BASE)     /*!< NVIC configuration struct         */

也就是直接操作结构体来实现操作ISER寄存器。具体原理见【STM32】MDK中寄存器地址名称映射分析。

比如，使能串口1中断，抢占优先级为1，响应优先级为2，初始化的方法为：

NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//串口1中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1 ;// 抢占优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;// 子优先级位2
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据上面指定的参数初始化NVIC寄存器

总结与分析

最后总结一下中断优先级设置的步骤：

1、系统运行后先设置中断优先级分组。调用函数：

void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup);

整个系统执行过程中，只设置一次中断分组；

2、针对每个中断，设置对应的抢占优先级和响应优先级：

void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct);

3、如果需要挂起/解挂，查看中断当前激活状态，分别调用相关函数即可。