中断基础

本文系统讲解 STM32 中断机制、NVIC 优先级配置、外部中断及标准库使用方法。

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一、什么是中断

1.1 中断的概念

中断（Interrupt）是 MCU 响应内部或外部事件的一种机制。当中断发生时，CPU 会暂停当前正在执行的任务，转而去执行一个中断服务例程（ISR, Interrupt Service Routine），处理完中断事件后再返回继续执行原来的任务。

生活中的类比：

你在看书时突然收到一条微信，你会暂停看书（主任务），拿起手机回复消息（中断处理），然后继续看书（返回主任务）。

1.2 轮询 vs 中断

方式	特点	适用场景
轮询（Polling）	CPU 不断检查外设状态	简单场景、实时性要求不高
中断（Interrupt）	外设主动通知CPU	实时性要求高、多外设协同

轮询的缺点：

• CPU 资源浪费在不断查询上
• 实时性差，事件响应不及时
• 多外设时难以协调

中断的优点：

• CPU 无需等待，可以执行其他任务
• 响应及时，不遗漏事件
• 多外设可以并行工作

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二、NVIC 嵌套向量中断控制器

2.1 什么是 NVIC

**NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）**是 ARM Cortex-M 内核提供的中断控制器，负责：

• 管理和配置所有外设中断
• 处理中断优先级
• 向量中断跳转
• 支持中断嵌套和咬尾（Tail-Chaining）机制

STM32F103 系列支持84个中断（具体数量因型号而异）。

2.2 NVIC 基本结构

                    ┌─────────────────────────────┐
                    │         内核 (Cortex-M3)   │
                    └──────────────┬──────────────┘
                                   │
                    ┌──────────────┴──────────────┐
                    │            NVIC             │
                    │  ┌─────────────────────┐  │
                    │  │ 中断使能寄存器        │  │
                    │  │ (ISER)               │  │
                    │  └─────────────────────┘  │
                    │  ┌─────────────────────┐  │
                    │  │ 中断除能寄存器       │  │
                    │  │ (ICER)              │  │
                    │  └─────────────────────┘  │
                    │  ┌─────────────────────┐  │
                    │  │ 优先级寄存器        │  │
                    │  │ (IPR[0-83])         │  │
                    │  └─────────────────────┘  │
                    └──────────────┬──────────────┘
                                   │
              ┌────────────────────┼────────────────────┐
              │                    │                    │
     ┌────────┴────────┐   ┌────────┴────────┐   ┌────────┴────────┐
     │   EXTI (外部)   │   │   TIM2 (定时器) │   │  USART1 (串口)  │
     └─────────────────┘   └─────────────────┘   └─────────────────┘

2.3 中断通道（IRQn）

STM32F103 的常用中断通道：

IRQn	说明	优先级
WWDG_IRQn	窗口看门狗中断	最高
PVD_IRQn	PVD中断
TIM1_BRK_IRQn	TIM1刹车中断
TIM1_UP_IRQn	TIM1更新中断
TIM1_TRG_COM_IRQn	TIM1触发/通信中断
TIM1_CC_IRQn	TIM1捕获比较中断
TIM2_IRQn	TIM2全局中断
TIM3_IRQn	TIM3全局中断
TIM4_IRQn	TIM4全局中断
I2C1_EV_IRQn	I2C1事件中断
I2C1_ER_IRQn	I2C1错误中断
SPI1_IRQn	SPI1中断
USART1_IRQn	USART1全局中断
USART2_IRQn	USART2全局中断
EXTI0_IRQn	外部中断0
EXTI1_IRQn	外部中断1
...	...
EXTI15_10_IRQn	外部中断10-15	最低

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三、中断优先级

3.1 优先级分组

STM32 使用4位二进制表示优先级（0~15，数字越小优先级越高）。

NVIC 支持优先级分组，将优先级分为抢占优先级和响应优先级：

分组	抢占优先级	响应优先级	说明
NVIC_PriorityGroup_0	0位	4位	全部为响应优先级
NVIC_PriorityGroup_1	1位	3位	2级抢占
NVIC_PriorityGroup_2	2位	2位	4级抢占
NVIC_PriorityGroup_3	3位	1位	8级抢占
NVIC_PriorityGroup_4	4位	0位	全部为抢占优先级

3.2 优先级比较规则

1. 先比较抢占优先级：抢占优先级高的可以打断低的
2. 抢占优先级相同时：比较响应优先级
3. 都相同时：比较硬件中断编号（编号小的优先）

3.3 优先级配置示例

// 使用标准库配置优先级
void NVIC_Configuration(void) {
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 配置优先级分组为 2位抢占优先级 + 2位响应优先级
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    // 配置 TIM2 中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级 1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;          // 响应优先级 1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

3.4 优先级设计原则

场景	优先级建议
硬实时（电机控制）	高抢占优先级（0~2）
软实时（通信）	中等优先级（3~6）
低实时（显示刷新）	低优先级（7~12）
后台任务	最低优先级（13~15）

注意事项：

• 优先级数字越小，优先级越高
• 最高优先级（0）通常留给紧急事件
• 避免使用太多相同优先级

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四、外部中断（EXTI）

4.1 EXTI 简介

**EXTI（External Interrupt/Event Controller）**是外部中断/事件控制器，用于处理来自 GPIO 引脚的外部中断。

STM32F103 EXTI 特性：

• 最多支持 19个外部中断线
• 每个 GPIO 端口的同一引脚号共享一个 EXTI 线
• 支持中断或事件触发

4.2 EXTI 通道映射

EXTI线	GPIO 源	说明
EXTI0	PA0/PB0/PC0/PD0/PE0	同一时刻只能选择一个
EXTI1	PA1/PB1/PC1/PD1/PE1
EXTI2	PA2/PB2/PC2/PD2/PE2
...	...
EXTI15	PA15/PB15/PC15/PD15/PE15

4.3 EXTI 触发方式

触发方式	说明
上升沿触发	检测到高电平变化
下降沿触发	检测到低电平变化
双边沿触发	上升沿和下降沿都触发

4.4 EXTI 配置步骤

#include "stm32f10x.h"

void EXTI0_Configuration(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能GPIOA和AFIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 2. 配置PA0为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 将PA0连接到EXTI0
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
    
    // 4. 配置EXTI0
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;  // 中断模式
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  // 下降沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
    
    // 5. 配置NVIC
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

// 6. 编写中断服务例程
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 中断处理代码
        // ...
        
        // 清除中断标志
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

4.5 EXTI 常见应用：按键中断

#include "stm32f10x.h"

#define KEY1_PIN GPIO_Pin_0
#define KEY2_PIN GPIO_Pin_1

volatile uint8_t key1_pressed = 0;
volatile uint8_t key2_pressed = 0;

void Key_Interrupt_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 配置PB0和PB1为上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_PIN | KEY2_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 连接EXTI线到GPIOB
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource0);
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource1);
    
    // 配置EXTI0（PB0），下降沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
    
    // 配置EXTI1（PB1），下降沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
    
    // 配置NVIC
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    // EXTI0优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // EXTI1优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

// EXTI0中断服务例程
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        key1_pressed = 1;
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

// EXTI1中断服务例程
void EXTI1_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET) {
        key2_pressed = 1;
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
    }
}

int main(void) {
    Key_Interrupt_Init();
    
    while (1) {
        if (key1_pressed) {
            key1_pressed = 0;
            // 处理KEY1按下
        }
        if (key2_pressed) {
            key2_pressed = 0;
            // 处理KEY2按下
        }
    }
}

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五、中断向量表

5.1 什么是中断向量表

中断向量表是一段存储在 Flash 开始地址的表格，每个中断都对应一个向量地址。当发生中断时，CPU 根据中断编号跳转到向量表相应位置，然后跳转到 ISR 执行。

5.2 STM32F103 中断向量表（部分）

地址	IRQn	说明
0x0000_0000	-	复位
0x0000_0004	-	NMI
0x0000_0008	HardFault_IRQn	硬件 fault
0x0000_000C	-	内存管理 fault
...	...	...
0x0000_001C	BusFault_IRQn	总线 fault
0x0000_0020	UsageFault_IRQn	用法 fault
0x0000_0024	-	保留
0x0000_0028	SVCall_IRQn	系统服务调用
...	...	...
0x0000_003C	PendSV_IRQn	可挂起 SV
0x0000_0040	SysTick_IRQn	SysTick 定时器
0x0000_0044	WWDG_IRQn	窗口看门狗
...	...	...
0x0000_0054	EXTI0_IRQn	外部中断0
0x0000_0058	EXTI1_IRQn	外部中断1
...	...	...
0x0000_0074	TIM2_IRQn	TIM2全局中断
0x0000_0078	TIM3_IRQn	TIM3全局中断
...	...	...

5.3 中断向量表位置

STM32F103 中断向量表位于 Flash 起始地址（0x0800_0000），但可以通过 SYSCFG 配置重映射到 SRAM。

// 将中断向量表重映射到SRAM（用于 bootloader 场景）
void VectorTableRemap(void) {
    // 启用SRAM时钟
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_SRAMEN;
    
    // 设置向量表偏移寄存器
    SCB->VTOR = SRAM_START_ADDR;  // 0x2000_0000
}

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六、定时器中断

6.1 TIM2 定时器中断配置

#include "stm32f10x.h"

volatile uint32_t timer2_count = 0;

void TIM2_Init(uint16_t prescaler, uint16_t period) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    // 2. 配置TIM2时基单元
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = prescaler;      // 预分频值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = period;           // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 向上计数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 3. 使能TIM2更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    // 4. 配置NVIC
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 5. 使能TIM2
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// TIM2中断服务例程
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        timer2_count++;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

int main(void) {
    // TIM2初始化：72MHz / 7200 / 1000 = 10Hz
    // 每100ms产生一次更新中断
    TIM2_Init(7200 - 1, 1000 - 1);
    
    while (1) {
        // 主循环可以执行其他任务
    }
}

6.2 多定时器协同

// 配置多个定时器不同优先级
void MultiTimer_Init(void) {
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    // TIM2 高优先级（用于精确计时）
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // TIM3 低优先级（用于一般任务调度）
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

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七、串口中断

7.1 USART1 中断配置

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>

uint8_t rx_buffer[100];
volatile uint8_t rx_head = 0;
volatile uint8_t rx_tail = 0;

void USART1_Init(uint32_t baudrate) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能GPIOA和USART1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    
    // 2. 配置USART1的TX(PA9)和RX(PA10)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  // TX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;  // RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 配置USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = baudrate;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    // 4. 使能USART1接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    
    // 5. 配置NVIC
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 6. 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

// USART1中断服务例程
void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        rx_buffer[rx_head++] = USART_ReceiveData(USART1);
        if (rx_head >= 100) rx_head = 0;
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}

// 发送字符
void USART1_SendChar(uint8_t ch) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, ch);
}

// 发送字符串
void USART1_SendString(uint8_t *str) {
    while (*str) {
        USART1_SendChar(*str++);
    }
}

int main(void) {
    USART1_Init(115200);
    USART1_SendString("USART1 Initialized\r\n");
    
    while (1) {
        // 处理接收到的数据
    }
}

7.2 printf 重定向到 USART

// 需要勾选 Use MicroLIB (Project -> Options -> Target -> Code Generation)

#include <stdio.h>

int fputc(int ch, FILE *f) {
    USART1_SendChar((uint8_t)ch);
    return ch;
}

int main(void) {
    USART1_Init(115200);
    printf("Hello, STM32!\r\n");
    printf("Timer count: %d\r\n", timer2_count);
}

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八、中断配置标准库函数

8.1 常用函数一览

函数	说明
NVIC_PriorityGroupConfig()	配置优先级分组
NVIC_Init()	初始化NVIC
NVIC_SetPriority()	设置中断优先级
NVIC_EnableIRQ()	使能中断通道
NVIC_DisableIRQ()	禁能中断通道
EXTI_Init()	初始化EXTI
EXTI_GetITStatus()	获取中断状态
EXTI_ClearITPendingBit()	清除中断标志
GPIO_EXTILineConfig()	配置EXTI线

8.2 NVIC_InitTypeDef 结构体

typedef struct {
    uint8_t NVIC_IRQChannel;                      // 中断通道
    uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;    // 抢占优先级
    uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority;           // 响应优先级
    FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd;           // 使能/禁能
} NVIC_InitTypeDef;

8.3 EXTI_InitTypeDef 结构体

typedef struct {
    uint32_t EXTI_Line;      // 中断线：EXTI_Line0~EXTI_Line15
    EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode;      // 模式：中断/事件
    EXTITrigger_TypeDef EXTI_Trigger;  // 触发：上升/下降/双边
    FunctionalState EXTI_LineCmd;    // 使能/禁能
} EXTI_InitTypeDef;

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九、中断处理最佳实践

9.1 ISR 编写原则

1. 快进快出：ISR 执行时间尽可能短
2. 不使用阻塞函数：不要在 ISR 中使用 delay、printf 等阻塞操作
3. 使用volatile变量：中断与主程序共享的数据要用 volatile
4. 清除中断标志：处理完中断后要及时清除标志位
5. 避免重入：不要在 ISR 中调用其他可能产生相同中断的函数

9.2 错误示例与纠正

错误示例：ISR 中使用 delay

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    delay_ms(100);  // 错误！delay 依赖定时器，可能导致死锁
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
}

正确做法：使用标志位

volatile uint8_t exti0_flag = 0;

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    exti0_flag = 1;  // 只设置标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
}

int main(void) {
    while (1) {
        if (exti0_flag) {
            exti0_flag = 0;
            delay_ms(100);  // 在主循环中处理耗时操作
        }
    }
}

9.3 共享数据保护

volatile uint32_t shared_counter = 0;

// 中断中修改
void TIM2_IRQHandler(void) {
    shared_counter++;
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
}

// 主循环读取
int main(void) {
    while (1) {
        uint32_t count;
        __disable_irq();         // 禁用中断
        count = shared_counter;  // 安全读取
        __enable_irq();          // 恢复中断
        
        printf("Count: %d\r\n", count);
        delay_ms(1000);
    }
}

9.4 中断优先级反转问题

问题：低优先级中断阻塞高优先级中断

解决：

• 合理分配优先级
• 使用优先级分组
• 避免在低优先级 ISR 中执行长时间操作

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十、总结

知识点	重点内容
中断机制	暂停主任务，执行 ISR，响应外部事件
NVIC	管理所有外设中断，支持优先级嵌套
优先级	抢占优先级可打断，响应优先级只在同抢占级比较
EXTI	外部中断控制器，响应 GPIO 引脚电平变化
配置步骤	使能时钟 → 配置GPIO → 连接EXTI → 配置NVIC → 编写ISR
最佳实践	快进快出、volatile 变量、标志位传递