中断原理

Author：余生

一、什么是中断？—— 先从 “生活场景” 讲起

想象你正在写作业（主程序），突然电话响了（外部事件），你必须暂停写作业，去接电话（处理事件），接完电话再回来继续写作业。

这个 “暂停当前任务 → 处理突发事件 → 回到原来任务” 的过程，就是中断（Interrupt）。

在 STM32 中：

• 写作业 = 主程序（main 函数里的代码）
• 电话响了 = 某个外设发出了中断请求（比如按键按下、定时器溢出）
• 接电话 = 执行中断服务函数（ISR）
• 继续写作业 = 返回主程序继续执行

中断的本质：让 CPU 能 “及时响应” 外部或内部的重要事件，而不是傻等或不断轮询。

二、为什么要用中断？ vs 轮询（Polling）

对比项	轮询方式	中断方式
CPU 是否空转	是，一直在查状态	否，平时正常工作
响应速度	慢，取决于轮询频率	快，事件一发生立刻响应
效率	低，浪费 CPU 资源	高，CPU 可做其他事
实时性	差	强

结论：

轮询适合简单、不紧急的任务；

中断适合对实时性要求高的场景，如按键检测、串口收数据、定时任务等。

三、中断系统的三大核心组件

STM32 的中断系统由三个关键部分组成：

1. 中断源（Interrupt Source）
2. EXTI（外部中断 / 事件控制器）
3. NVIC（嵌套向量中断控制器）

我们一个一个深入讲。

四、中断源（Interrupt Source）

中断源就是 “谁发起了中断请求”。

常见中断源类型

类型	举例
外部中断	按键按下、外部传感器信号
定时器中断	TIM2 溢出、PWM 周期结束
串口中断	USART1 收到一个字节数据
ADC 中断	模数转换完成
DMA 中断	数据传输完成
系统异常	硬件错误、NMI、SysTick 等

所有这些外设都可以配置为 “产生中断”，一旦条件满足，就会向 NVIC 发出请求。

五、EXTI（External Interrupt/Event Controller）—— 外部中断控制器

5.1 什么是 EXTI？

EXTI 是 STM32 中专门用来管理外部引脚中断的模块。它就像一个 “门口保安”，负责监听哪些 GPIO 引脚发生了电平变化，并决定是否上报给 NVIC。

注意：虽然叫 “外部中断”，但它其实是芯片内部的一个控制器，专门处理来自 GPIO 引脚的中断请求。

5.2 EXTI 的结构（以 STM32F1 为例）

STM32F1 系列有 19 条 EXTI 线路（Line 0~15 + 16~18）

• Line 0 ~ 15：对应每个 GPIO 引脚（PA0、PB0、PC0…）
• Line 16：PVD（可编程电压检测）
• Line 17：RTC 闹钟
• Line 18：USB 唤醒

关键点：

虽然有多个 GPIO 端口（A/B/C/D…），但每个编号的引脚共用一条 EXTI 线。

例如：PA0、PB0、PC0 都连接到 EXTI Line 0，但同一时间只能有一个能触发中断（需要软件选择）。

5.3 EXTI 的工作流程

1. 配置 GPIO 为输入模式（如上拉输入）
2. 选择哪个引脚作为中断源（通过 AFIO 寄存器选择 PA0 还是 PB0）
3. 设置触发方式：
   1. 上升沿触发（从低变高）
   2. 下降沿触发（从高变低）
   3. 双边沿触发（高低都触发）
4. 使能 EXTI 中断输出
5. EXTI 检测到信号变化 → 向 NVIC 发送中断请求

5.4 EXTI 的 “中断” vs “事件”

EXTI 不仅能产生中断，还能产生 “事件”（Event）。

对比	中断（Interrupt）	事件（Event）
是否进入 CPU	是，会跳转到 ISR	否，不进 CPU
是否需要 NVIC	是	否
用途	需要 CPU 参与处理	触发其他外设（如启动 ADC、DMA）
延迟	有中断响应延迟	极快，硬件直连

举例：

你可以设置 “按键按下” 产生一个事件，直接触发 ADC 开始采样，全程不需要 CPU 参与，效率极高！

六、NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）—— 嵌套向量中断控制器

这是整个中断系统的 “大脑” 和 “调度中心”。

6.1 NVIC 的功能

1. 接收所有中断请求（来自外设或 EXTI）
2. 判断优先级，决定先响应哪个
3. 支持中断嵌套（高优先级可打断低优先级）
4. 自动保存 / 恢复上下文（CPU 寄存器）
5. 跳转到正确的 ISR

NVIC 是 ARM Cortex-M 内核的一部分，不是 STM32 厂商自己设计的，所有 Cortex-M 芯片都有 NVIC。

6.2 中断优先级（Priority）

STM32 的中断优先级分为 4 位（F1 系列），可以分成：

• 抢占优先级（Preemption Priority）：决定是否可以 “打断” 其他中断
• 子优先级（Subpriority）：决定多个中断同时发生时的执行顺序

优先级分组（Priority Group）

由于只有 4 位，需要事先分配多少位给抢占，多少位给子优先级。这叫 “优先级分组”。

分组模式	抢占位数	子优先级位数	最大组数
Group 0	0 位	4 位	1 组，16 子
Group 1	1 位	3 位	2 组，8 子
Group 2	2 位	2 位	4 组，4 子 ✅ 常用
Group 3	3 位	1 位	8 组，2 子
Group 4	4 位	0 位	16 组，无子

规则：

• 抢占优先级高的可以打断抢占优先级低的（嵌套）
• 抢占相同，子优先级高的先执行
• 抢占和子都相同，看中断号（越小越优先）

推荐使用 Group 2：4 个抢占优先级 + 4 个子优先级，够用且不易出错。

6.3 中断向量表（Interrupt Vector Table）

这是 NVIC 的 “电话簿”，记录了每个中断对应的处理函数地址。

特点

• 存放在 Flash 开头（地址 0x0000_0000）
• 每个中断占 4 字节，存的是函数指针
• 包括：
  • 异常（Exception）：复位、NMI、Hard Fault、SysTick 等
  • 外设中断：TIM2_IRQn、USART1_IRQn、EXTI0_IRQn…

举例： 当你按下按键触发 EXTI0 中断，NVIC 查表发现 EXTI0_IRQn 对应的函数是 EXTI0_IRQHandler ，于是跳过去执行。

6.4 NVIC 的寄存器

寄存器	功能
ISER（Set Enable Register）	使能中断
ICER（Clear Enable Register）	关闭中断
ISPR（Set Pending Register）	手动触发中断（软件中断）
ICPR（Clear Pending Register）	清除中断挂起状态
IPR（Interrupt Priority Register）	设置中断优先级

实际编程中我们用库函数（如 NVIC_EnableIRQ() ）操作，不用直接写寄存器。

七、中断的完整执行流程（从触发到返回）

我们以 “按键触发 EXTI0 中断” 为例，详细走一遍流程：

步骤 1：事件发生

• 用户按下按键 → PA0 引脚从高电平变为低电平（下降沿）

步骤 2：EXTI 检测

• EXTI Line 0 检测到下降沿
• 触发条件满足 → 设置 “挂起寄存器”（Pending Bit）

步骤 3：发送请求给 NVIC

• EXTI 向 NVIC 发出中断请求（IRQ）

步骤 4：NVIC 判断是否响应

• 当前是否有更高优先级中断正在运行？
• 全局中断是否使能？（CPSR 寄存器 I 位）
• 如果可以响应 → 进入响应阶段

步骤 5：CPU 响应中断（异常进入）

• 自动保存上下文（R0~R3, R12, LR, PC, xPSR）
• 读取中断向量表，跳转到 EXTI0_IRQHandler

步骤 6：执行中断服务函数（ISR）

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 处理按键逻辑：比如翻转LED
        LED_Toggle();
        // 清除中断标志位（重要！）
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

步骤 7：中断返回

• 执行 BX LR 指令
• CPU 自动恢复之前保存的上下文
• 继续执行被中断的主程序

八、中断服务函数（ISR）编写注意事项

正确做法

• 函数名必须和启动文件中定义的一致（如 EXTI0_IRQHandler ）
• 尽量简短，不要做耗时操作（如延时、打印）
• 及时清除中断标志位（否则会反复进入中断）
• 可以设置标志位，让主程序去处理复杂逻辑

错误做法

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    Delay_ms(1000);  // 千万不要在这里延时！
    printf("Key pressed!\n"); // 打印太慢，影响实时性
}

推荐做法

volatile uint8_t key_flag = 0;  // 全局标志
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)) {
        key_flag = 1;  // 只设标志
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

// 主程序中处理
while (1) {
    if (key_flag) {
        key_flag = 0;
        LED_Toggle();
        printf("Key pressed!\n");
    }
}

九、中断嵌套（Nested Interrupt）

什么是嵌套？

高优先级中断可以打断正在执行的低优先级中断。

举例

• 中断 A：优先级 2（抢占）
• 中断 B：优先级 1（抢占） ← 更高

当 CPU 正在执行 A 的 ISR 时，B 发生 → CPU 会暂停 A，先执行 B，B 执行完再回到 A。

注意：

• 只有抢占优先级更高才能打断
• 子优先级不能打断

十、常见中断编号与命名（STM32F1 参考）

中断名	对应外设	说明
NMI_IRQn	非屏蔽中断	不受 NVIC 控制，必须响应
HardFault_IRQn	硬件错误	如访问非法地址
SysTick_IRQn	系统滴答定时器	操作系统常用
WWDG_IRQn	窗口看门狗
EXTI0_IRQn ~ EXTI15_IRQn	外部中断线 0~15
TIM2_IRQn	定时器 2
USART1_IRQn	串口 1
ADC1_2_IRQn	ADC1 和 ADC2

所有中断名定义在 stm32f10x.h 文件中。

十一、软件配置流程（以 HAL 库为例）

// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();  // EXTI需要AFIO
// 2. 配置GPIO为输入
GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.Pin = GPIO_PIN_0;
gpio.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;  // 下降沿中断
gpio.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

// 3. 配置NVIC
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);  // 抢占2，子0
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 4. 编写回调函数（HAL库风格）
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
        LED_Toggle();
    }
}

十二、中断的优缺点总结

优点	缺点
响应快，实时性强	配置复杂
节省 CPU 资源	多中断时优先级管理复杂
支持嵌套，灵活性高	ISR 中不能调用阻塞函数
可实现事件驱动编程	调试困难（断点难打）

总结：一张图看懂 STM32 中断系统

[GPIO 引脚] 
    ↓ (电平变化)
[EXTI 控制器] —— 判断是否触发、是中断还是事件
    ↓ (中断请求)
[NVIC] —— 查优先级、查向量表、决定是否响应
    ↓
[CPU] —— 保存现场 → 跳转到 ISR → 执行 → 恢复现场
    ↓
[主程序继续运行]