STM32 NVIC中断优先级管理

CM3 内核支持 256 个中断,其中包含了 16 个内核中断和 240 个外部中断,并且具有 256
级的可编程中断设置。但 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 个内核中断和 68 个可屏蔽中断,具有 16 级可编程的中断优先级。
而我们常用的就是这 68 个可屏蔽中断,但是 STM32 的 68 个可屏蔽中断,在 STM32F103 系列
上面,又只有 60 个(在 107 系列才有 68 个)。因为我们开发板选择的芯片是 STM32F103 系列
的所以我们就只针对 STM32F103 系列这 60 个可屏蔽中断进行介绍。
在 MDK 内,与 NVIC 相关的寄存器,MDK 为其定义了如下的结构体:

typedef struct
{
 __IO uint32_t ISER[8]; /*!< Interrupt Set Enable Register */
        uint32_t RESERVED0[24];
 __IO uint32_t ICER[8]; /*!< Interrupt Clear Enable Register */
        uint32_t RSERVED1[24];
__IO uint32_t ISPR[8]; /*!< Interrupt Set Pending Register */
        uint32_t RESERVED2[24];
 __IO uint32_t ICPR[8]; /*!< Interrupt Clear Pending Register */
        uint32_t RESERVED3[24];
 __IO uint32_t IABR[8]; /*!

        uint32_t RESERVED4[56];
 __IO uint8_t IP[240]; /*!< Interrupt Priority Register, 8Bit wide */
        uint32_t RESERVED5[644];
 __O uint32_t STIR; /*!< Software Trigger Interrupt Register */
} NVIC_Type;

        STM32 的中断在这些寄存器的控制下有序的执行的。只有了解这些中断寄存器,才能方便
的使用 STM32 的中断。下面重点介绍这几个寄存器:
        ISER[8]:ISER 全称是:Interrupt Set-Enable Registers,这是一个中断使能寄存器组。上面
说了 CM3 内核支持 256 个中断,这里用 8 个 32 位寄存器来控制,每个位控制一个中断。但是
STM32F103 的可屏蔽中断只有 60 个,所以对我们来说,有用的就是两个(ISER[0]和 ISER[1]),
总共可以表示 64 个中断。而 STM32F103 只用了其中的前 60 位。ISER[0]的 bit0~bit31 分别对
应中断 0~31。ISER[1]的 bit0~27 对应中断 32~59;这样总共 60 个中断就分别对应上了。你要
使能某个中断,必须设置相应的 ISER 位为 1,使该中断被使能(这里仅仅是使能,还要配合中
断分组、屏蔽、IO 口映射等设置才算是一个完整的中断设置)。具体每一位对应哪个中断,请
参考 stm32f10x.h 里面的第 140 行处(针对编译器 MDK5 来说)。
         ICER[8]:全称是:Interrupt Clear-Enable Registers,是一个中断除能寄存器组。该寄存器组
与 ISER 的作用恰好相反,是用来清除某个中断的使能的。其对应位的功能,也和 ICER 一样。
这里要专门设置一个 ICER 来清除中断位,而不是向 ISER 写 0 来清除,是因为 NVIC 的这些寄
存器都是写 1 有效的,写 0 是无效的。具体为什么这么设计,请看《CM3 权威指南》第 125 页,
NVIC 概览一章。

       ISPR[8]:全称是:Interrupt Set-Pending Registers,是一个中断挂起控制寄存器组。每个位
对应的中断和 ISER 是一样的。通过置 1,可以将正在进行的中断挂起,而执行同级或更高级别
的中断。写 0 是无效的。

       ICPR[8]:全称是:Interrupt Clear-Pending Registers,是一个中断解挂控制寄存器组。其作
用与 ISPR 相反,对应位也和 ISER 是一样的。通过设置 1,可以将挂起的中断接挂。写 0 无效。

       IABR[8]:全称是:Interrupt Active Bit Registers,是一个中断激活标志位寄存器组。对应位
所代表的中断和 ISER 一样,如果为 1,则表示该位所对应的中断正在被执行。这是一个只读寄
存器,通过它可以知道当前在执行的中断是哪一个。在中断执行完了由硬件自动清零。

       IP[240]:全称是:Interrupt Priority Registers,是一个中断优先级控制的寄存器组。这个寄
存器组相当重要!STM32 的中断分组与这个寄存器组密切相关。IP 寄存器组由 240 个 8bit 的寄
存器组成,每个可屏蔽中断占用 8bit,这样总共可以表示 240 个可屏蔽中断。而 STM32 只用到
了其中的前 60 个。IP[59]~IP[0]分别对应应中断 59~0。而每个可屏蔽中断占用的 8bit 并没有全部
使用,而是 只用了高 4 位。这 4 位,又分为抢占优先级和子优先级。抢占优先级在前,子优先
级在后。而这两个优先级各占几个位又要根据 SCB->AIRCR 中的中断分组设置来决定。
       这里简单介绍一下 STM32 的中断分组:STM32 将中断分为 5 个组,组 0~4。该分组的设
置是由 SCB->AIRCR 寄存器的 bit10~8 来定义的。具体的分配关系如表 4.5.1 所示:

       通过这个表,我们就可以清楚的看到组 0~4 对应的配置关系,例如组设置为 3,那么此时
所有的 60 个中断,每个中断的中断优先寄存器的高四位中的最高 3 位是抢占优先级,低 1 位是
响应优先级。每个中断,你可以设置抢占优先级为 0~7,响应优先级为 1 或 0。抢占优先级的
级别高于响应优先级。而数值越小所代表的优先级就越高。

       这里需要注意两点:第一,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;第二,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。而抢占优先级相同的中断,高优先级的响应优先级不可以打断低响应优先级的中断。

       结合实例说明一下:假定设置中断优先级组为 2,然后设置中断 3(RTC 中断)的抢占优先级
为 2,响应优先级为 1。中断 6(外部中断 0)的抢占优先级为 3,响应优先级为 0。中断 7(外
部中断 1)的抢占优先级为 2,响应优先级为 0。那么这 3 个中断的优先级顺序为:中断 7>中
断 3>中断 6。

       上面例子中的中断 3 和中断 7 都可以打断中断 6 的中断。而中断 7 和中断 3 却不可以相互
打断!

       通过以上介绍,我们熟悉了 STM32 中断设置的大致过程。接下来我们介绍如何使用库函
数实现以上中断分组设置以及中断优先级管理,使得我们以后的中断设置简单化。NVIC 中断
管理函数主要在 misc.c 文件里面。

       首先要讲解的是中断优先级分组函数 NVIC_PriorityGroupConfig,其函数申明如下:
       void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup);
       这个函数的作用是对中断的优先级进行分组,这个函数在系统中只能被调用一次,一旦分
组确定就最好不要更改。这个函数我们可以找到其实现:

       void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
       {
       assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(NVIC_PriorityGroup));
       SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
       }

从函数体可以看出,这个函数唯一目的就是通过设置 SCB->AIRCR 寄存器来设置中断优先级分
组,这在前面寄存器讲解的过程中已经讲到。而其入口参数通过双击选中函数体里面的
“IS_NVIC_PRIORITY_GROUP”然后右键“Go to defition of …”可以查看到为:

#define IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(GROUP)
(((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_0) || 
((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_1) || \
((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_2) || \
((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_3) || \
((GPOUT)== NVIC_PrioirtyGroup_4))

这也是我们上面表 4.5.1 讲解的,分组范围为 0-4。比如我们设置整个系统的中断优先级分组值
为 2,那么方法是:
       NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

这样就确定了一共为“2 位抢占优先级,2 位响应优先级”。
        设置好了系统中断分组,那么对于每个中断我们又怎么确定他的抢占优先级和响应优先级
呢?下面我们讲解一个重要的函数为中断初始化函数 NVIC_Init,其函数申明为:

        void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct)
其中 NVIC_InitTypeDef 是一个结构体,我们可以看看结构体的成员变量:

typedef struct
{
 uint8_t NVIC_IRQChannel; 
 uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;
 uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; 
 FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; 

} NVIC_InitTypeDef;
NVIC_InitTypeDef 结构体中间有三个成员变量,这三个成员变量的作用是:
NVIC_IRQChannel:定义初始化的是哪个中断,这个我们可以在 stm32f10x.h 中找到
每个中断对应的名字。例如 USART1_IRQn。

NVIC_IRQChannelPreemptionPriority:定义这个中断的抢占优先级别。
NVIC_IRQChannelSubPriority:定义这个中断的子优先级别。
NVIC_IRQChannelCmd:该中断是否使能。

比如我们要使能串口 1 的中断,同时设置抢占优先级为 1,子优先级位 2,初始化的方法是:
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

这里我们讲解了中断的分组的概念以及设定优先级值的方法,至于每种优先级还有一些关于清
除中断,查看中断状态,这在后面我们讲解每个中断的时候会详细讲解到。最后我们总结一下
中断优先级设置的步骤:

1. 系统运行开始的时候设置中断分组。确定组号,也就是确定抢占优先级和子优先级的
分配位数。调用函数为 NVIC_PriorityGroupConfig();
2. 设置所用到的中断的中断优先级别。对每个中断调用函数为 NVIC_Init();
 

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