問(wèn)題

最近在使用 STM32F3 芯片的時(shí)候，遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：如果外部中斷來(lái)的頻率足夠快，上一個(gè)中斷沒(méi)有處理完成，新來(lái)的中斷如何處理？ 在調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)有中斷有 掛起、激活、失能等狀態(tài)，考慮這些狀態(tài)都是干啥用的呢！他們是 Cortex-M 核所共有的，因此，這里不針對(duì)與具體用的 STM32 MCU，直接上升到 Cortex-M 內(nèi)核來(lái)了解一下！

簡(jiǎn)介

中斷（也稱(chēng)為“異?！保┦俏?a target="_blank">控制器一個(gè)很常見(jiàn)的特性。中斷一般是由硬件（例如外設(shè)、外部引腳）產(chǎn)生，當(dāng)中斷產(chǎn)生以后 CPU 就會(huì)中斷當(dāng)前的程序執(zhí)行流程轉(zhuǎn)而去處理中斷服務(wù)中指定的操作。

所有的 Cortex-M 內(nèi)核都會(huì)包含一個(gè)用于中斷處理的組件：NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器）。它處理處理中斷，還處理其他需要服務(wù)的事件（例如 SVC 指令），通常稱(chēng)為異常（按照 ARM 的說(shuō)法，中斷也是一種異常）。

Cortex-M3 和 Cotex-M4 的 NVIC 最多支持 240 個(gè) IRQ(中斷請(qǐng)求)、1 個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)、1 個(gè) Systick(滴答定時(shí)器)定時(shí)器中斷和多個(gè)系統(tǒng)異常。而 Cortex-M0 最多支持 32 個(gè) IRQ、1 個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)、1 個(gè) Systick(滴答定時(shí)器)定時(shí)器中斷和多個(gè)系統(tǒng)異常。

• IRQ： 多數(shù)由定時(shí)器、IO 端口、通信接口等外設(shè)產(chǎn)生

• NMI： 通常由看門(mén)狗定時(shí)器或者掉電檢測(cè)器等外設(shè)產(chǎn)生

• 其他： 主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)核

注意，本文所說(shuō)的 Cortex-M 主要指定是 Cotex-M3 和 Cotex-M4。

Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1 基于 ARMv6-M。與 Cotex-M3 和 Cotex-M4 相比，他們的指令集較小。而且，Cortex-M1 是專(zhuān)門(mén)為FPGA 應(yīng)用設(shè)計(jì)的，沒(méi)有獨(dú)立 MCU。

異常類(lèi)型

Cortex-M 處理器的異常中，編號(hào) 1~15 的為系統(tǒng)異常，16 及以上的則為中斷輸入。所有中斷級(jí)別的異常都具有可編程的優(yōu)先級(jí)。部分系統(tǒng)異常具有固定優(yōu)先級(jí)。ARM 給出了以下一張表：

針對(duì) Cortex-M 系列的內(nèi)核，ARM 提供了一套叫做 CMSIS 的東西。目前，所有的 MCU 均使用 CMSIS 作為編程基礎(chǔ)。在 CMSIS-Core 中，中斷標(biāo)識(shí)有中斷枚舉實(shí)現(xiàn)，從數(shù)值 0 開(kāi)始（代表中斷 #0）。其中，系統(tǒng)異常的編號(hào)為負(fù)數(shù)。具體如下：

CMSIS-Core 之所以使用另外一種編號(hào)系統(tǒng)，是因?yàn)檫@樣可以稍微提高部分 API 的效率。中斷的編號(hào)和枚舉定義是同設(shè)備相關(guān)的，他們位于微控制器供應(yīng)商提供的頭文件中，在一個(gè)名為 IRQn 的 typedef 段中。

中斷處理（異常處理）

當(dāng)某種內(nèi)部或外部事件發(fā)生時(shí)，MCU 的中斷系統(tǒng)將迫使 CPU 暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去進(jìn)行中斷事件的處理，中斷處理完畢后，又返回被中斷的程序處，繼續(xù)執(zhí)行下去。

主程序正在執(zhí)行，當(dāng)遇到中斷請(qǐng)求（Interrupt Request）時(shí)，暫停主程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)例程（Interrupt Service Routine，ISR），稱(chēng)為響應(yīng)，中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢后返回到主程序斷點(diǎn)處并繼續(xù)執(zhí)行主程序。多個(gè)中斷是可以進(jìn)行嵌套的。正在執(zhí)行的較低優(yōu)先級(jí)中斷可以被較高優(yōu)先級(jí)的中斷所打斷，在執(zhí)行完高級(jí)中斷后返回到低級(jí)中斷里繼續(xù)執(zhí)行。

中斷管理

管理中斷所使用的大部分寄存器都位于 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器）和 SCB（System Control Block，系統(tǒng)控制塊）中。實(shí)際上，SCB 是作為 NVIC 的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)在 CMSIS-Core 中，將其定義在了獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體中。除此之外，處理器內(nèi)核中還有用于中斷屏蔽寄存器：PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI。

NVIC 和 SCB 位于系統(tǒng)控制空間，地址從 0xE000E00 開(kāi)始，大小 4KB。SCB 中還有 SysTick 定時(shí)器，存儲(chǔ)器保護(hù)單元等。

優(yōu)先級(jí)

這部分暫且不說(shuō)！

中斷輸入和掛起

在 Cortex-M 內(nèi)核中，每個(gè)中斷都具有多個(gè)屬性：

• 每個(gè)中斷都可以被禁止（默認(rèn)）或者使能

• 每個(gè)中斷都可以別掛起或者解除掛起

• 每個(gè)中斷都可以處于活躍或者非活躍

這些狀態(tài)屬性具有多種可能的組合。例如，在處理中斷時(shí)，可以將其禁止，若在中斷退出前產(chǎn)生了同一個(gè)中斷的新請(qǐng)求，由于該活躍中斷被禁止了，那就會(huì)處于掛起狀態(tài)。

NVIC 在設(shè)計(jì)上既支持產(chǎn)生 脈沖中斷請(qǐng)求 的外設(shè)，也支持產(chǎn)生 高電平中斷請(qǐng)求 的外設(shè)。無(wú)需配置任何一個(gè) NVIC 寄存器以選擇其中一種中斷類(lèi)型。對(duì)于脈沖中斷請(qǐng)求，脈沖寬度至少要為一個(gè)時(shí)鐘周期；而對(duì)于電平觸發(fā)的請(qǐng)求，在 ISR 中的操作清除請(qǐng)求之前，請(qǐng)求服務(wù)的外設(shè)要一直保持電平信號(hào)（如寫(xiě)入寄存器以清除中斷請(qǐng)求） 。盡管外部中斷請(qǐng)求在 I/O 引腳上的電平可能是低電平有效，但是 NVIC 收到的請(qǐng)求信號(hào)為高有效！

中斷的掛起狀態(tài)被存儲(chǔ)在 NVIC 的可編程寄存器中，當(dāng) NVIC 的中斷輸入被確認(rèn)后，它就會(huì)引發(fā)該中斷的掛狀態(tài)。即便中斷請(qǐng)求被取消，掛起狀態(tài)仍會(huì)為高。這樣，NVIC 就可以處理脈沖中斷請(qǐng)求了。

掛起狀態(tài)的意思是，中斷被置于一種等待處理器處理的狀態(tài)。有些情況下，處理器在中斷掛起時(shí)就會(huì)進(jìn)行處理。不過(guò)，若處理器已經(jīng)在處理另外一個(gè)更高或同優(yōu)先級(jí)的中斷，或者中斷被某個(gè)中斷屏蔽寄存器給屏蔽掉了，那么在其他的中斷處理結(jié)束前或者中斷屏蔽被清除前，掛起請(qǐng)求會(huì)一直保持。

在傳統(tǒng) ARM 處理器中，如果外設(shè)產(chǎn)生了中斷，那么它們得到處理前必須一直保持中斷請(qǐng)求信號(hào)。

當(dāng)中斷開(kāi)始處理中斷請(qǐng)求時(shí)，中斷的請(qǐng)求信號(hào)會(huì)被自動(dòng)清除。當(dāng)中斷正在被處理時(shí)，它就會(huì)處于活躍狀態(tài)。

當(dāng)中斷處于活躍狀態(tài)時(shí)，處理器無(wú)法再中斷完成和異常返回前再次處理同一個(gè)中斷請(qǐng)求。

中斷的掛起狀態(tài)位于中斷掛起狀態(tài)寄存器中，軟件可以復(fù)位這些寄存器。因此，可以手動(dòng)清除或者設(shè)置中斷的掛起狀態(tài)。若中斷請(qǐng)求產(chǎn)生時(shí)處理器正在處理另一個(gè)具有更高優(yōu)先級(jí)的中斷，而在處理器對(duì)該中斷請(qǐng)求做出響應(yīng)之前，掛起狀態(tài)被清除掉了，則該中斷會(huì)被取消且不會(huì)再得到處理。

若持續(xù)保持某個(gè)中斷請(qǐng)求，那么及時(shí)軟件嘗試清除該掛起狀態(tài)，掛起狀態(tài)還是會(huì)再次被置位的。

若中斷已經(jīng)得到了處理，中斷源仍然在繼續(xù)保持中斷請(qǐng)求，那么這個(gè)中斷就會(huì)再一次進(jìn)入掛起狀態(tài)且再次得到處理

對(duì)于脈沖中斷請(qǐng)求，若在處理器開(kāi)始處理前，中斷請(qǐng)求信號(hào)產(chǎn)生了多次，他們會(huì)被當(dāng)做一次中斷請(qǐng)求處理

中斷掛起狀態(tài)可以在其正在被處理時(shí)再次置位。之前的中斷請(qǐng)求正在被處理時(shí)產(chǎn)生了新的請(qǐng)求，這樣機(jī)會(huì)引發(fā)新的掛起狀態(tài)。處理器在前一個(gè) ISR 結(jié)束后需要再次處理這個(gè)中斷。

即使中斷被禁止了，他的掛起狀態(tài)仍然可置位。 這種情況下，若中斷稍后被使能了，它仍然可以被觸發(fā)并被得到處理。這種情況可能不是我們需要的，因此需要在使能 NVIC 中斷前手動(dòng)清除掛起狀態(tài)。

總結(jié)

NVIC 中對(duì)于每個(gè)中斷需要設(shè)置 搶占優(yōu)先級(jí) 和 響應(yīng)優(yōu)先級(jí)(又稱(chēng)子優(yōu)先級(jí))。多個(gè)中斷會(huì)先比較 搶占優(yōu)先級(jí)，搶占優(yōu)先級(jí)相同的比較響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。高搶占優(yōu)先級(jí)能夠打斷低搶占優(yōu)先級(jí)的，但是相同搶占優(yōu)先級(jí)的高響應(yīng)優(yōu)先級(jí)不能打斷低響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。

1. 高優(yōu)先級(jí)的搶占優(yōu)先級(jí)是可以打斷正在進(jìn)行的低搶占優(yōu)先級(jí)中斷的。

2. 搶占優(yōu)先級(jí)相同的中斷，高響應(yīng)優(yōu)先級(jí)不可以打斷低響應(yīng)優(yōu)先級(jí)的中斷。

3. 搶占優(yōu)先級(jí)相同的中斷，當(dāng)兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的情況下，哪個(gè)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高，哪個(gè)先執(zhí)行。

4. 如果兩個(gè)中斷的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)都是一樣的話，則看哪個(gè)中斷先發(fā)生就先執(zhí)行。

參考

1. The Definitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors, 3rd Edition

2. The De?nitive Guide to the Cortex-M0

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