STM32中断及其优先级

STM32中断配置示例：

/* NVIC config */
void NVIC_config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);	

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	 
}

这里涉及异常(中断)相关的：

1、异常与中断

2、优先级分组，NVIC_PriorityGroupConfig

3、抢占优先级，NVIC_IRQChannelPreemptionPriority

4、子(亚)优先级，NVIC_IRQChannelSubPriority

5、中断号定义，NVIC_IRQChannel

6、优先级配置的寄存器实现，NVIC_Init()的实现

此篇对上述内容进行整理，以下内容参考资料《Cortex-M3权威指南》

一、Cortex-M3异常简介

CM3 在内核水平上搭载了一个异常响应系统，所有中断机制都由NVIC实现。CM3有256个预定义的异常（所有能打断正常执行流的事件都称为异常）类型，其中编号为1-15 的对应系统异常，大于等于16 的则全是外部中断。如下图示：

虽然CM3 是支持240 个外中断的，但具体使用了多少个是由芯片生产商决定。比如：STM32 有84 个中断，包括16 个内核中断和68 个可屏蔽中断。不同系列支持的中断数也是不同的，需参考具体芯片datasheet。

二、异常优先级

除了个别异常(复位、NMI、硬fault)的优先级被定死外，其它异常的优先级都是可编程的。

在CM3 中，优先级对于异常来说很关键的，它会影响一个异常是否能被响应，以及何时可以响应。优先级的数值越小，则优先级越高。CM3 支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。 

CM3 允许的最少使用位数为3 个位(位序MSB)，亦即至少要支持8 级优先级。举例来说，如果只使用了3 个位来表达优先级，则优先级配置寄存器的结构会如图所示：

在图中，[4:0]没有被实现，所以读它们总是返回零，写它们则忽略写入的值。因此，对于3 个位的情况，我们能够使用的8 个优先级为：0x00（最高），0x20，0x40，0x60，0x80，0xA0，0xC0 以及0xE0。

注：STM32使用3位，即[7:4]表示优先级，所以STM32具有16级优先级。

三、优先级分组：抢占优先级和子(亚)优先级

为了使抢占机能变得更可控，CM3 还把256 级优先级按位分成高低两段，分别是抢占优先级和子优先级。
NVIC 中有一个寄存器是“应用程序中断及复位控制寄存器(AIRCR)”，它里面有一个位段名为“优先级组”：

该位段的值对每一个优先级可配置的异常都有影响，把其优先级分为位段：MSB 所在的位段（左边的）对应抢占优先级，而LSB 所在的位段（右边的）对应子优先级，位数与分组位置的关系：如下图示：

比如，如果优先级分组为1，则抢占优先级有64级[7:2]，子优先级有4级[1:0]。

在计算抢占优先级和子优先级的有效位数时，必须先求出下列值：
1、芯片实际使用了多少位来表达优先级
2、优先级组是如何划分的。
举个例子，如果只使用3 个位来表达优先级（[7:5]），并且优先级组的值是5（从比特5处分组），则你得到4 级抢占优先级，且在每个抢占优先级的内部有2 个子优先级，如图所示：

四、中断寄存器组

-->NVIC = ((NVIC_Type *) 0xE000E100)
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;

ISER：Interrupt Set-Enable Registers，中断使能寄存器组。这里用了 2 个 32 位的寄存器，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；依次类推，这样总共 60 个中断就分别对应上了。要使能某个中断，必须设置相应的 ISER 位为 1。
ICER： 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。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。通过这种方式，使能/除能中断时只需把“当事位”写成1，其它的位可以全部为零。再也不用像以前那样，害怕有些位被写入 0 而破坏其对应的中断设置（写 0 没有效果），从而实现每个中断都可以自顾地设置，而互不侵犯——只需单一的写指令，不再需要读-改-写。

ISPR：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：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，可以将挂起的中断解挂。写 0 无效。
IABR：Active Bit Registers，是一个中断**标志位寄存器组。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。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。
IPR： 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。因为 STM32 的中断达 60 多个，所以 STM32 采用中断分组的办法来确定中断的优先级。 IPR 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。

STIR：Software Trigger Interrupt Register，向软件触发中断寄存器STIR 的INTID字段([8:0])写入中断ID即可触发相应的中断。

Besides using NVIC-ISPR[n] registers, you can also use a Software Trigger Interrupt Register (NVIC->STIR) to trigger an interrupt using software：

For example, you can generate interrupt #3 by writing the following code in C:

NVIC->STIR = 3;

五、STM32中断实现分析

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。具体的分配关系如下图 表所示： 

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。 

1、中断分组设置

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

直接把分组数值写入AIRCR寄存器的[10:8]位即可，写该寄存器需要一个Key值，即AIRCR_VECTKEY_MASK。

2、指定中断线设置

有了上述大篇幅的知识加上注释，STM32中断寄存器配置也就一目了然：

void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct)
{
	uint32_t tmppriority = 0x00, tmppre = 0x00, tmpsub = 0x0F;
	if (NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelCmd != DISABLE) {
		/* Compute the Corresponding IRQ Priority --------------------------------*/
		tmppriority = (0x700 - ((SCB->AIRCR) & (uint32_t)0x700)) >> 0x08; /* 中断分组值 */
		tmppre = (0x4 - tmppriority); /* 抢占优先级转化为[7:4]左移的位数 *
		tmpsub = tmpsub >> tmppriority; /* 子优先级掩码 */

		tmppriority = (uint32_t)NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelPreemptionPriority << tmppre; /* 抢占优先级，在[7:4]中的值 */
		tmppriority |= NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelSubPriority & tmpsub; /* 子优先级 */
		tmppriority = tmppriority << 0x04; /* 最终优先级，在[7:0]中的值 */

        /* 中断号和其占用优先级寄存器一一对应 */
		NVIC->IP[NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel] = tmppriority;

		/* [NVIC_IRQChannel >> 0x05]定位ISER数组的下标，一个寄存器对应32个中断
         * [NVIC_IRQChannel & (uint8_t)0x1F)]定位ISER[x]的指定位
         */
		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);
	}
}