07 中断系统（HAL）

目标：理解优先级分组与嵌套，实现 EXTI 外部中断和 UART 中断接收

中断优先级

优先级分组

NVIC 优先级分组（由 SCB->AIRCR 寄存器的 PRIGROUP 位决定）。STM32 把中断优先级分为抢占优先级和子优先级两部分，但两者的位数比例可以调整：

分组	抢占优先级位数	子优先级位数	可配置优先级数量
`NVIC_PRIORITYGROUP_0`	0	4	抢占: 1种, 子: 16级
`NVIC_PRIORITYGROUP_1`	1	3	抢占: 2种, 子: 8级
`NVIC_PRIORITYGROUP_2`	2	2	抢占: 4种, 子: 4级
`NVIC_PRIORITYGROUP_3`	3	1	抢占: 8种, 子: 2级
`NVIC_PRIORITYGROUP_4`（默认）	4	0	抢占: 16种, 子: 1级

数值越小，优先级越高！（"越小越优先"是 ARM Cortex 的统一规则）

详细工作原理

NVIC 寄存器组

Cortex-M3 的 NVIC 通过一组系统控制寄存器管理中断的使能、挂起、清除和优先级：

寄存器组	名称	功能
ISER[0~2]	Interrupt Set-Enable Register	写 1 使能中断，读返回当前使能状态
ICER[0~2]	Interrupt Clear-Enable Register	写 1 禁能中断
ISPR[0~2]	Interrupt Set-Pending Register	写 1 将中断置为挂起状态（软件触发中断）
ICPR[0~2]	Interrupt Clear-Pending Register	写 1 清除挂起状态
IP[0~79]	Interrupt Priority Register	每个中断 8 位，STM32 只使用高 4 位

每个寄存器组有 3 个 32 位寄存器（ISER0~2 等），覆盖 STM32 最多 80 个中断。IP 寄存器的字节地址按中断号连续排列，每个中断占用 1 字节（8 位），但 STM32 仅使用 [7:4] 高 4 位存储优先级值，低 4 位读回为 0。

中断入栈序列 (Exception Entry)

当 Cortex-M3 响应中断时，硬件自动完成以下操作（无需软件干预）：

主栈指针 (MSP) 当前指向
         │
         ▼
     ┌──────────┐  ← SP 递减（满递减栈）
     │  xPSR    │  ← 程序状态寄存器（含条件标志、中断状态）
     ├──────────┤
     │  PC      │  ← 返回地址（被中断指令的下一条）
     ├──────────┤
     │  LR      │  ← 返回后使用的栈指针
     ├──────────┤
     │  R12     │  ← 通用寄存器
     ├──────────┤
     │  R3      │
     ├──────────┤
     │  R2      │
     ├──────────┤
     │  R1      │
     ├──────────┤
     │  R0      │  ← 入栈完成，SP 指向栈顶
     └──────────┘

入栈的 8 个寄存器（xPSR、PC、LR、R12、R3~R0）共 32 字节，由硬件在 12 个总线周期内自动完成。入栈后，硬件从向量表（位于 Flash 起始地址）取出对应的中断向量（即 ISR 入口地址），加载到 PC，开始执行中断服务函数。

异常返回 (Exception Return)

中断服务函数末尾执行 BX LR 指令时，LR 寄存器中保存的是一个特殊值——EXC_RETURN，而非普通返回地址：

EXC_RETURN	返回模式
`0xFFFFFFF1`	返回 Handler 模式（使用 MSP）
`0xFFFFFFF9`	返回 Thread 模式（使用 MSP）
`0xFFFFFFFD`	返回 Thread 模式（使用 PSP）

硬件检测到 LR 的值是 EXC_RETURN（高 4 位全 1）时，自动执行出栈操作，恢复 R0~R3、R12、LR、PC、xPSR，恢复被中断的代码执行。

中断优化技术

Tail-Chaining（尾链）：

当中断 A 完成后，如果还有一个中断 B 正在挂起等待，硬件跳过中断 A 的出栈和中断 B 的入栈，直接执行中断 B 的 ISR。这省去了 12 个周期的入栈和 12 个周期的出栈，共节省 24 个总线周期。

无尾链：   ISR_A → 出栈(12周期) → 入栈(12周期) → ISR_B
有尾链：   ISR_A ───────────────→ ISR_B          （省 24 周期）

Late-Arrival（迟到中断）：

中断 A 的入栈过程中，一个更高优先级的中断 B 到达。硬件不打断当前的入栈操作，但入栈完成后，直接从向量表取中断 B 的向量（而非中断 A 的向量），优先执行中断 B。

入栈开始 → 中断 B 到达（更高优先级）
   │
入栈完成 → 取中断 B 向量 → 执行 ISR_B
        → 执行 ISR_A（B 完成后）

PRIGROUP 位域分割

SCB->AIRCR 寄存器的 PRIGROUP[9:8] 位决定优先级的分割方式。每个中断的优先级值存储在 NVIC_IPRx 寄存器的高 4 位 [7:4]，低 4 位 [3:0] 硬件忽略（始终读回 0）：

NVIC_IPRx 寄存器（8 位，每个中断一个）：

  [7:4] ← 有效优先级值      [3:0] ← 恒为 0
  ┌──┬──┬──┬──┐┌──┬──┬──┬──┐
  │B7│B6│B5│B4││ 0│ 0│ 0│ 0│
  └──┴──┴──┴──┘└──┴──┴──┴──┘

PRIGROUP=4 (Group 4)：全部 4 位 = 抢占优先级
PRIGROUP=3 (Group 3)：高 3 位 = 抢占，低 1 位 = 子
PRIGROUP=2 (Group 2)：高 2 位 = 抢占，低 2 位 = 子
PRIGROUP=1 (Group 1)：高 1 位 = 抢占，低 3 位 = 子
PRIGROUP=0 (Group 0)：0 位 = 抢占，低 4 位 = 子

"数值越小优先级越高" 的原理：ARM Cortex-M 的优先级比较器使用二进制数值比较，0 最小，优先级最高。因此配置 NVIC_IPRx 时，写入 0 为最高优先级，写入 240（即 0xF0）为最低优先级。

中断排队 vs 中断嵌套

中断排队：多个中断等待 CPU 执行，NVIC 根据优先级决定谁先执行。

中断嵌套：一个中断正在执行时，另一个更高优先级的中断到来，暂停当前中断去执行更高的中断。

判定规则：

抢占优先级不同 → 高抢占优先级可以嵌套低抢占优先级的中断
抢占优先级相同 → 不嵌套，按子优先级排队
子优先级也相同 → 按中断向量号（硬件固定），号小的先执行

完整示例

优先级分组 Group 2（2位抢占 + 2位子优先级）。五个中断按到达时间排列：

中断	抢占优先级	子优先级	到达顺序
A	1	0	①
B	0	1	②
C	0	2	③
D	2	0	④
E	3	0	⑤

执行流（数值越小优先级越高）：

① A(抢占1) 开始执行
   └─ ② B(抢占0) 到来 → 0 > 1 → **嵌套！暂停 A，B 开始**
      └─ ③ C(抢占0, 子2) 到来 → 同组不嵌套 → 排队（子2 < B的子1，C在B之后）
      └─ B 完成 → C 开始执行
   └─ C 完成 → **回到 A**（A 被抢占后恢复）
   └─ ④ D(抢占2) 到来 → 2 < 1 → 排队（D在A后面）
   └─ A 完成 → D 开始 → ⑤ E(抢占3) 在 D 后面排队

最终执行顺序：A → B → C → A(恢复) → D → E

NVIC 配置

CubeMX → NVIC Settings 中：

使能要用到的中断
设置抢占优先级 (Preemption Priority) 和子优先级 (Sub Priority)
HAL_NVIC_SetPriority(IRQn, PreemptPriority, SubPriority) 或在 CubeMX 中图形化设置

EXTI 外部中断

CubeMX 配置

PB0 → GPIO_EXTI0
GPIO 参数：Pull-up
NVIC → EXTI line0 interrupt → Enable
GPIO mode：External Interrupt Mode with Rising/Falling edge detection

关键函数

函数	说明
`HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(PIN)`	ISR 中调用，检测边沿并调回调
`HAL_GPIO_EXTI_Callback(PIN)`	用户重写此回调（弱函数）

完整代码

/* stm32f1xx_it.c — 中断服务函数 */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

/* main.c — 回调函数 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

UART 中断接收

已在 04-UART串口.md 详细说明，核心模式：

HAL_UART_Receive_IT() 启动中断接收
         ↓
硬件接收 1 字节 → 触发中断
         ↓
HAL_UART_RxCpltCallback() 被调用
         ↓
用户在回调中重新调用 HAL_UART_Receive_IT()

常见坑点

⚠️ 中断服务函数写在 stm32f1xx_it.c，不要直接修改
⚠️ 用户只重写回调函数（__weak 弱函数），不要改 ISR
⚠️ 回调函数中不要使用 HAL_Delay()（它依赖 SysTick 中断，同优先级可能导致死锁）
⚠️ 中断函数应短小、快速执行，耗时操作放主循环

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