浅析Cortex-M4 NVIC控制器与STM32-NVIC控制器

1、中断简介

    中断：程序在运行过程中发生了外部或内部事件时，中断了正在执行的程序，转到外部或内部事件中去执行别的任务。

  

  （1）中断的作用
  

• 中断的作用是大量节约CPU资源，提高程序的效率，即避免重要事件被错过。
  
• 中断使用地方：没办法确定什么时候需要处理数据时，采用中断方式处理。
  
  

  

   以之前学习的串口接收数据为例，比较使用中断与否的效果：
①查询方式：能够实现功能代码，CPU一直在查询是否接收数据标志，如果程序中有延时就会产生丢数据的现象。
②中断方式：能够实现功能代码，当产生接收数据中断时，立马告诉MCU，也就是将CPU拉到中断中执行中断任务。(如果中断没有发生变化，MCU可以做其他工作)。
  

  （2）中断入口
在单片机内部有一块空间专门用来存放地址，该地址已经和相应的中断绑定在一起了(芯片厂商处理的）。当中断发生时，CPU会跑到该内存空间中查找中断入口地址，该地址就是中断入口。该地址对于开发人员而言，可读性较差，所以芯片厂商在芯片设计时将该地址重新取名（便于记忆和理解），即中断服务函数名，在stm32里，中断服务函数名是不可自定义，所有的中断服务函数名都已经被设定好了。因此在编写中断服务函数时绝对不能写错，如果写错，CPU就找不到中断的入口。如中断地址0x233947hff取中断服务函数名为USART1_IRQHandler，这对应着同一个中断事件。
  

   中断服务函数在XXX_md.s文件。
   主函数和中断服务函数的关系：主函数和中断服务函数之间并不是主函数调用中断服务函数的关系，二者属于同一个级别，即本质是中断服务函数和主函数一起抢占CPU的使用权。所以中断服务函数不是写在主函数中。
  

  （3）中断优先级
把事件的紧急情况或执行事件的先后顺序称为优先级。使用到优先级的目的：为了区分这些事情的重要程度，即事件执行时的先后顺序。优先级就是一个数值，数值越小，优先级越高。每个中断优先级可以分为自然（固定不变的）和可控（程序员可以配置）两种。中断自带的优先级编号称为自然优先级。可控优先级就是可以由程序员自行修改的优先级。
  

   

• 可控优先级分为抢占优先级和响应优先级。
  
• 自然优先级的本质就是一些硬件编号。数字越小优先级越高。
  
• 优先级比较顺序：先比较抢占优先级，再比较响应优先级，最后比较自然优先级。
  
  

  

  （4）中断嵌套
  

   中断嵌套只发生在抢占优先级不一样的情况下。
  

  中断嵌套：就是中断在执行的时候在中断中又出现了一个中断。

  

  

中断嵌套目的：处理更紧急的事情。中断嵌套中需要将嵌套的中断优先级设置的更高。因为高优先级的任务可以打断或抢占低优先级的任务。
  2、Cortex-M4——中断体系

  中断体系就是管理中断的一套机制。
（1）Cortex-M4-中断架构
在芯片的内核里专门有一个管理中断机制的模块——NVIC(嵌套向量中断控制器)控制器。M4内核专门负责处理中断相关问题的机构，专门做中断管理相关的事务。
  

   注意：NVIC控制器属于内核级的模块，所以在中文手册找不到，到芯片内核编程手册：《Cortex M3与M4权威指南.pdf》在第7章异常和中断中详细讲中断体系中查看。
  

  所有的中断都是在NVIC控制器中控制的，如下图所示。

  

  

  

• NVIC控制器中的中断来源：包括来自GPIO口外部中断，片上外设，系统核心，SysTick，非掩蔽中断。
  
• Cortex-M3和Cortex-M4支持多达240个IRQ(中断请求)、一个非掩蔽中断(NMI)、一个SysTick(系统滴答)定时器中断和一些系统异常。NMI通常是由外围设备(如看门狗定时器)生成的，其余的异常来自处理器核心。大部分 IRQ由外围设备(如定时器、I/O端口和通信接口(例如UART、I2C)生成。
  
  

  （2）Cortex-M4-NVIC控制器中断来源分析
NVIC控制器总共提供了255个中断入口。具体见《Cortex M3与M4权威指南.pdf》
①系统及SysTick中断入口共15个(内核固定的)。
  

   注意：这是内核级中断，中断控制器必须响应，内核中断不能够被打断也不能被设置优先级，具有固定的优先级。这15个中断源是由ARM设计的。
  

  ②片上外设或IO口中断入口16到255总共240个。
  

   注意：该部分中断由芯片厂商决定（不是内核极的），由芯片生产者决定。
  

  （3） Cortex-M4中断管理方式
Cortex-M4 NVIC控制器中1 ~ 15个系统中断不能被打断也不可以设置优先级，他们的优先级是固定的，且发生事件时必须要响应。剩下的16~255总共240个中断属于外部或片上外设中断，他们可以自由的设置中断优先级，且每一种中断都具有三种类型的优先级：可控优先级（抢占优先级，响应优先级），自然优先级。
  

   ①抢占优先级：当其中一个中断正在执行时，其他的中断是否可以打断正在执行的中断。
②响应优先级：决定当多个抢占优先级都相同且多个中断同时到来的时候，先执行哪一个中断。
③自然优先级（硬件固定）：按照自带的优先级编号（硬件固定）在抢占和响应优先级相同的情况下决定先执行哪个中断，数字越小级别越高。
   

• 优先级大小：抢占优先级>响应优先级>自然优先级。
  
• 每个中断源的抢占优先级和响应优先级由用户决定（软件设置），而自然优先级已经被硬件固定， 不可更改。优先级越高其对应的值越低。数字越小，优先级越高。
  
  

  

  

   M4 NVIC控制器通过分组来设置各个中断的优先级的方式来管理各个中断。
  

  在CM4里面，系统会给每一个中断源都分配一个8位寄存器来存放它的优先级（抢占优先级和响应优先级）。在这8位寄存器里面，一部分用于存放抢占优先级，另一部分存放响应优先级。8位寄存器的理想情况下的分布情况如下（抢占优先级位数+响应优先级位数=8bit）：

  

  

  

   Cortex-M4-NVIC 中得知抢占优先级+响应优先级最多占8位，最少3位。（一个范围，具体占几位取决于芯片生产商）
  

  M4内核中的中断可分为8组，不同的组抢占和响应的位数不一样，可以设置的优先级的范围也不一样。如下表所示。

  

  

  

   注意：抢占优先级最大有128级别，响应优先级最大有256级别。
  

  往SCB（系统控制块）->AIRCR寄存器的PRIGROUP3位（8 ~ 10）中写入不同值（分组值0~7）即可决定系统中，中断的抢占优先级位数和响应优先级位数。

  

  

一个系统在使用中断之前，必须确定优先级分组，也就是确定抢占优先级和响应优先级的位数，从而决定抢占优先级和响应优先级的可设置范围。
  （4）Cortex-M4-NVIC控制器中断相关函数介绍

  

  

  3、STM32——中断体系

  （1）STM32-NVIC控制器简介
  

   STM32-NVIC控制器结构和内核的一样，只是中断入口或者来源发生了变化。见《STM32F4xx中文参考手册.pdf》中断章节。
  

  1）设置分组&优先级
  

   M4内核的NVIC控制器抢占+响应优先级设置总共占用8bit表示。而ARM公司规定：不是所有的芯片厂商都要使用8位。最多可以使用8bit，最少不少于3bit。可以根据需要使用（比如自己芯片功能等）。比如ST公司就是使用4位，NXP（恩智浦）公司使用5位。
  

  这里讲的是STM32F40X的中断分组设置（使用4bit）。抢占优先级位数+响应优先级位数=4bit。

  

  

  

   知识总结：
   

• 由上表得知STM32优先级使用4~7共4个位控制。 如下所示：
  
    
  
  
  
• 由上表得知STM32分组值范围：3 ~ 7，上表使用的是二进表示形式，是写入寄存器的值，一般对分组使用组编号的形式，组编号范围：0 ~ 4。组编号中0对应于分组值的7，而组编号中4对应于分组值的3。组编号=抢占优先级位数。
  
  

   问：将某外设分组为第5组，程序如何实现？
答：抢占优先级是几位就7-几，即（7-n），剩下的是响应优先级位数。
注意：设置组编号(5)的目的是为了更清楚的知道抢占优先级和响应优先级的大小，其本身并不存在。
  

  （2）STM32-NVIC控制器相关函数及配置方法

  

  

  

  

  

  

  

  

  

   在NVIC控制器中打开相应中断功能叫做：核心级中断使能。
  

  （3）STM32外设中断原理
经过核心级中断使能的中断并未真正的打开，还需要打开相关外设的中断，即模块级中断。即要真正使用中断功能要实现核心级中断使能+模块级中断使能。
  

   

• 真正的开启一个外设的中断需要以下步骤：
  ①开启核心级中断使能，即在NVIC控制器当中打开该外设对应的中断（比如 串口接受中断）。
  ②开启模块级中断使能(打开在外设中当前（比如串口接受中断）中断的开关)。
  
• 也可以理解为想要真正的使用中断需完成以下几步：
  ①设置分组； （可以在中断函数对应的源文件处设置，也可以在main.c文件设置）
  ②设置抢占和响应的优先级级别；
  ③给中断设置中断功能；
  ④打开中断在NVIC控制器当中的开关；
  ⑤打开中断在模块（外设）中的开关。
  
  

  

  中断过程分析：

  

  

  

   书写中断服务函数注意事项：
① 中断服务函数名是固定的，在启动代码里面已经定下来了，不可以由程序员自己更改。
② 在STM32中，中断服务函数名在相应的汇编文件（.s文件）中有，如STM32F407VGT6→startup_stm32f40_41xxx.s。 中断编号即中断源在相应的头文件（.h文件）中有，如STM32F4XX.h。
③ 中断服务函数名尽量用复制，不要自己写，写错就进不了中断。
④（如果中断服务函数是公共入口即如果是全局中断）进入到中断服务函数后先要查询是哪种中断。
⑤ 先清中断标志，然后再做中断处理，不要把清中断标志放在函数的最后。（如果把清除中断标志放在中断服务函数的最后，会出现当发出清中断标志指令后，硬件还没有把相关标志清除掉，程序就已经跳出了中断服务函数，这个时候NVIC又会识别到标志是1，出现重复中断）。可以清除中断标志命令发出后，等待清除成功再往下执行。
⑥ 中断服务函数应该尽量简短，一般是做一些标识，不要在中断中做延时之类的占用CPU很长时间的工作。（快进快出）
⑦ 中断服务函数不会被任何一个函数调用，当中断条件满足后，NVIC控制把CPU拉到中断服务函数中执行，执行完毕后在回到主函数。
⑧ 中断服务函数写法是：void 中断服务函数 (void)，即不可以有参数和返回值。
⑨ 中断服务函数不需要声明，也不需要调用，它的本质和main函数一样，其工作原理是和main函数抢CPU的使用权。
  

  4、说明

  

   本博客设置 USART1接收中断为例。
  

  串口1模块级中断寄存器(USART_CR1)：

  

  

  

  

  一、单片机利用中断接收字符串

  

   现象：串口助手发送字符串到单片机，单片机将接收到的字符串又发送到串口助手。
  

  1、在usart.c文件中编写中断接收字符串函数
先初始化，再编写接收函数。

void Usart1_Init(u32 brr)
{
        //1、开串口USART1和GPIOA组时钟
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1 ,ENABLE);
       
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;              //定义结构体变量
        GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //配置为复用推挽输出
        GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; //输出速度为2MHz
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;        //选定管脚PA9
        GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);            //调用初始化函数
       
        //2、初始化USART1
        USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
        USART_InitStruct.USART_BaudRate = brr;                                        //波特率
        USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;        //禁止硬件流控
        USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;                                                //全双工通信
        USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;                //禁止奇偶校验
        USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;                //1个停止位
        USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;                //8bit数据位
        USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
       
        //中断
        USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE, ENABLE);                                //使能USART1接收中断
        USART_ITConfig(USART1,USART_IT_IDLE, ENABLE);                                //使能USART1空闲中断  判断通信什么时候结束  
        NVIC_SetPriority (USART1_IRQn, NVIC_EncodePriority (7-2, 1, 2)); //设置抢占和响应的优先级级别，并将合成的优先级设置给USART1中断源
        NVIC_EnableIRQ (USART1_IRQn);                                  //使能NVIC控制器中断开关，即打开串口1在NVIC控制器当中的开关，这一步必须要
       
        //3、使能串口1
        USART_Cmd( USART1, ENABLE);       
}


//使用中断方式接收字符串。
u8 buff[50];
u8 rev_ok;
/*
1.中断服务函数不可以有返回值，也不可以有形参
2.中断服务函数名名字已经固定好，不可以由程序员自己更改
3.中断服务函数，不需要声明，也不需要调用，它的本质和main函数一样，其工作原理是和main函数抢CPU的使用权
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
        static u8 i = 0;//static 修饰的静态局部变量只执行初始化一次
        if( USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) )        //接收中断
        {
                USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_RXNE);   //清除接收中断标志位
                buff = USART_ReceiveData(USART1);
                i++;
        }
        if( USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) )        //空闲中断
        {
                if(USART1->DR)                                                        //读DR寄存器  清空闲标志位
                {
                        ;
                }
                buff = '';                                                        //字符串以字符''结尾
                i = 0;                                                                        //数组下标清零
                rev_ok = 1;                                                           //表示一次通信结束
        }
               
}


2、编写main.c文件，引用usart.c文件的中断接收函数。


#include "main.h"
int main()
{
        NVIC_SetPriorityGrouping (7-2);                                //分组一般同一个工程只设置一次
        Usart1_Init(115200);
        while(1)        //死循环
        {
                //中断方式
                if(rev_ok == 1)                                        //这个标志位置1代表一次通信结束
                {
                        rev_ok = 0;
                        Usart1_Send_Str(buff);
                }
               
        }
        return 0;
}


二、单片机利用中断控制LED灯

  

   现象：串口助手发送命令到单片机，单片机将接收到命令后做出响应。如串口助手发送LED_ON，单片机将打开LED灯。
  

  1、编写main.c文件，引用usart.c文件的中断接收函数。
  

   使用strcmp需包含#include “string.h”。在串口助手里的“发送新行”要取消，否则控制不了。因为它是以“rn”结尾。所以也可以在代码上加上“rn”就不用取消。
  

#include "main.h"
int main()
{
        NVIC_SetPriorityGrouping (7-2);                                //分组一般同一个工程只设置一次
        Usart1_Init(115200);
        Led_Pin_Init();
        while(1)        //死循环
        {
                if(rev_ok == 1)                                        //这个标志位置1代表一次通信结束
                {
                        rev_ok = 0;
                        Usart1_Send_Str(buff);
                        if(strcmp("LED_ON",(const char *)buff)==0)
                        {
                                LED1_ON;
                                LED2_ON;
                                LED3_ON;
                        }
                        if(strcmp("LED_OFF",(const char *)buff)==0)
                        {
                                LED1_OFF;
                                LED2_OFF;
                                LED3_OFF;
                        }
                }
        }
        return 0;
}

   控灯部分也可以放在usart.c文件的中断接收函数里。