STM32中的中斷(duan)向量表和中斷(duan)處理過程
時間(jian)：2024-11-05 來源：華清(qing)遠見
STM32中的中斷向量表和中斷處理過程：一場硬件與軟件的默契配合
如果你(ni)是(shi)一(yi)(yi)名嵌入(ru)式開發者，STM32應(ying)該是(shi)你(ni)不陌生的(de)伙(huo)伴。而當(dang)你(ni)深入(ru)了解它時，你(ni)會發現這個微控制(zhi)器就(jiu)像一(yi)(yi)位無聲的(de)指揮家(jia)，在整個硬件和(he)軟件的(de)交響樂中，最引人(ren)注(zhu)目(mu)的(de)部分(fen)之(zhi)一(yi)(yi)就(jiu)是(shi)它的(de)中斷(duan)系統。在這里，我們要聊的(de)，就(jiu)是(shi)這位指揮家(jia)如何通(tong)過中斷(duan)向量表和(he)中斷(duan)處理機制(zhi)，完(wan)美協調硬件與軟件之(zhi)間的(de)互(hu)動。
1. 中斷向量表：中斷的指引地圖
在STM32的世(shi)界里，有一(yi)個特殊的區域，叫做中(zhong)斷(duan)(duan)向量表 (Interrupt Vector Table)。它就像是一(yi)張地圖，專門指引各種事件發(fa)生時，應(ying)該由誰來(lai)響應(ying)。當系統中(zhong)的某個外設或(huo)者事件觸發(fa)了中(zhong)斷(duan)(duan)信號時，它會立刻尋(xun)找(zhao)這張地圖，看(kan)看(kan)接(jie)下來(lai)該去哪個“地址”執行對應(ying)的中(zhong)斷(duan)(duan)服務程序 (ISR, Interrupt Service Routine)。
對(dui)于STM32微控制器來(lai)說，中(zhong)斷向(xiang)量(liang)表通常存放在(zai)內(nei)存的(de)起始(shi)位置，這個(ge)位置在(zai)系統(tong)啟(qi)動(dong)時就已經固(gu)定。它不僅列出(chu)了所(suo)有(you)的(de)中(zhong)斷源(yuan)（包括硬件外設(she)、系統(tong)異常等(deng)），還為(wei)(wei)每(mei)(mei)個(ge)中(zhong)斷源(yuan)指派(pai)了一個(ge)唯一的(de)中(zhong)斷服務(wu)程序(xu)地址。可以理(li)(li)解(jie)為(wei)(wei)，每(mei)(mei)當(dang)有(you)中(zhong)斷信號發(fa)出(chu)，STM32就會“查表”找到相應的(de)處理(li)(li)程序(xu)。
向(xiang)量表(biao)中(zhong)(zhong)的(de)每一(yi)項(xiang)都對(dui)(dui)應著(zhu)不同的(de)中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)源(yuan)，比(bi)如外部(bu)按(an)鍵中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)、定時器中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)、串(chuan)口(kou)中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)等。每個中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)源(yuan)在(zai)向(xiang)量表(biao)中(zhong)(zhong)占據一(yi)個位置(zhi)，而(er)這個位置(zhi)記(ji)錄的(de)就是對(dui)(dui)應ISR的(de)入口(kou)地址。換(huan)句(ju)話說(shuo)，這張表(biao)告(gao)訴STM32：當(dang)某(mou)個中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)發生時，應該(gai)跳轉(zhuan)到哪(na)兒去執行相應的(de)代(dai)碼。
2. 中斷的觸發：硬件的呼喚
中斷的(de)世界(jie)其實很簡單：硬件負(fu)責觸發，軟件負(fu)責響應。當一個事(shi)件發生（例如一個按(an)鍵(jian)被按(an)下，或者一個數(shu)據傳輸完(wan)成），STM32的(de)硬件部(bu)分就會產(chan)生一個中斷信號(hao)(hao)。這個信號(hao)(hao)相當于硬件在(zai)對STM32的(de)內核說：“嘿，有事(shi)需要(yao)處理！”
STM32的內核(he)在(zai)接收到這個(ge)信號后(hou)，會立刻(ke)暫停當前正在(zai)執行的任(ren)務，開始查(cha)找中斷向量表。這就像是你(ni)正在(zai)忙(mang)著工(gong)作，但突然有人叫你(ni)去(qu)(qu)處(chu)理一個(ge)緊急情況——你(ni)會暫時放下手中的活(huo)，去(qu)(qu)看(kan)看(kan)誰在(zai)叫你(ni)，然后(hou)處(chu)理這個(ge)事情。
3. NVIC：中斷的調度大師
STM32并不是傻(sha)傻(sha)地看到中斷(duan)(duan)就立刻跳(tiao)過(guo)去處(chu)理(li)，它有(you)一個(ge)非常重要的(de)(de)(de)模塊叫做(zuo)NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC就像是一個(ge)調度大師，它負(fu)責管理(li)中斷(duan)(duan)的(de)(de)(de)優先級和響應順序。畢(bi)竟，系統中可能同時發生多(duo)個(ge)中斷(duan)(duan)，但我們(men)不可能同時處(chu)理(li)所有(you)的(de)(de)(de)中斷(duan)(duan)，所以NVIC會(hui)幫忙(mang)決定哪(na)個(ge)中斷(duan)(duan)應該先處(chu)理(li)，哪(na)個(ge)可以稍后(hou)再處(chu)理(li)。
NVIC的(de)(de)存在(zai)，讓STM32具備了處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)嵌套中(zhong)斷(duan)(duan)的(de)(de)能力。嵌套中(zhong)斷(duan)(duan)的(de)(de)意思是：在(zai)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)一個(ge)中(zhong)斷(duan)(duan)時，如果有一個(ge)更高優先級的(de)(de)中(zhong)斷(duan)(duan)發(fa)生(sheng)，STM32可(ke)以(yi)暫停當前的(de)(de)中(zhong)斷(duan)(duan)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)，先去處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)更高優先級的(de)(de)中(zhong)斷(duan)(duan)，處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)完再回來接著處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)原(yuan)來的(de)(de)中(zhong)斷(duan)(duan)。
4. 中斷處理過程：一次完美的合作
當(dang)一個(ge)(ge)中斷(duan)被觸發時，整(zheng)個(ge)(ge)中斷(duan)處理過程(cheng)(cheng)可以看作(zuo)是一場(chang)精心策劃的(de)合作(zuo)。首(shou)先(xian)，硬件部分發出(chu)中斷(duan)請(qing)求(qiu)(qiu)，STM32的(de)內核接收到這個(ge)(ge)請(qing)求(qiu)(qiu)后，立刻(ke)通(tong)過NVIC查詢(xun)中斷(duan)向量表，找到相應(ying)的(de)ISR地(di)址。接著，它會保存當(dang)前(qian)的(de)執行現場(chang)，包括程(cheng)(cheng)序(xu)計數(shu)器(qi)、寄存器(qi)等信息，以便中斷(duan)處理完(wan)畢后能(neng)夠恢復正(zheng)常工作(zuo)。
當找到(dao)ISR的(de)入口地(di)址后(hou)，STM32會(hui)跳轉到(dao)這個地(di)址，執(zhi)行(xing)相應的(de)中斷(duan)處(chu)理代(dai)碼。這些代(dai)碼通常比(bi)較(jiao)簡短，因(yin)為中斷(duan)處(chu)理的(de)關鍵在(zai)于快速響應，處(chu)理最重(zhong)要的(de)任(ren)務，確(que)保系統可(ke)以盡快恢復正(zheng)常運行(xing)。比(bi)如，在(zai)串口通信中斷(duan)處(chu)理中，可(ke)能只是簡單地(di)讀取(qu)一個字節(jie)數據或者清除(chu)一個標(biao)志位，然后(hou)快速返回。
5. 恢復現場：繼續原來的任務
中斷處理程(cheng)(cheng)序執行(xing)完畢后，STM32并(bing)不會(hui)停止，它(ta)會(hui)恢復先(xian)前保存(cun)的程(cheng)(cheng)序現場，包括寄存(cun)器的值(zhi)和程(cheng)(cheng)序計數器，繼續執行(xing)原本(ben)暫停的任務(wu)。這(zhe)就像你(ni)在處理完緊(jin)急事件后，回到自己的桌子上，繼續處理未完成的工作。
6. 中斷的優先級：誰該先響應？
STM32的中(zhong)斷(duan)處理(li)系統非(fei)常靈活，它允許開(kai)發者(zhe)為(wei)每個(ge)(ge)中(zhong)斷(duan)設置優(you)(you)先(xian)(xian)級。NVIC通過優(you)(you)先(xian)(xian)級機(ji)制來決定哪個(ge)(ge)中(zhong)斷(duan)應(ying)該(gai)優(you)(you)先(xian)(xian)處理(li)，哪個(ge)(ge)可以稍后再處理(li)。優(you)(you)先(xian)(xian)級越高的中(zhong)斷(duan)，在發生時(shi)會(hui)打(da)斷(duan)優(you)(you)先(xian)(xian)級較低(di)的中(zhong)斷(duan)。這對于那些時(shi)間要求較為(wei)嚴格的任務(wu)來說非(fei)常有用，比如定時(shi)器中(zhong)斷(duan)或(huo)者(zhe)外部傳感器的緊急信號。
STM32的中斷優(you)(you)先級(ji)(ji)劃分為主(zhu)優(you)(you)先級(ji)(ji)和子優(you)(you)先級(ji)(ji)。主(zhu)優(you)(you)先級(ji)(ji)用(yong)于決定(ding)中斷的響(xiang)應順(shun)序，而子優(you)(you)先級(ji)(ji)則用(yong)于決定(ding)在(zai)同級(ji)(ji)別的中斷中，哪個可以搶(qiang)占另一個。這樣(yang)一來，即便(bian)是在(zai)高并(bing)發的嵌入式系統中，STM32也能夠有條不紊地處理各種中斷事件。
7. 中斷禁用與使能：誰能打斷你
在某些特殊場景下(xia)，開(kai)發(fa)者可能(neng)不(bu)希望某個中(zhong)斷(duan)隨時(shi)發(fa)生，打亂當前的任務(wu)(wu)進(jin)程。這時(shi)候，就可以(yi)通過(guo)禁用某些中(zhong)斷(duan)，來確(que)保當前任務(wu)(wu)不(bu)會被打斷(duan)。STM32提(ti)供了非(fei)常靈活(huo)的中(zhong)斷(duan)禁用和使能(neng)機制，允許(xu)開(kai)發(fa)者根據(ju)實際需求(qiu)控制中(zhong)斷(duan)的觸發(fa)。
當(dang)你禁用某個中(zhong)(zhong)斷(duan)后(hou)，系統即使(shi)(shi)收到這個中(zhong)(zhong)斷(duan)信號，也(ye)會暫時忽略它，直到你重新使(shi)(shi)能(neng)這個中(zhong)(zhong)斷(duan)。同(tong)樣(yang)，NVIC也(ye)可以(yi)配置中(zhong)(zhong)斷(duan)的(de)(de)使(shi)(shi)能(neng)狀(zhuang)態，從而(er)幫助我們靈活(huo)地(di)控(kong)制中(zhong)(zhong)斷(duan)的(de)(de)響應。
總結：中斷的魔力與控制
STM32中的(de)中斷系(xi)統就像是硬(ying)件(jian)和(he)軟件(jian)之間的(de)一(yi)座橋梁，它讓硬(ying)件(jian)能夠實(shi)時通知(zhi)軟件(jian)，并(bing)讓軟件(jian)快速響應各種事件(jian)。這一(yi)切的(de)背(bei)后，依(yi)靠的(de)就是中斷向量表和(he)NVIC的(de)精(jing)密配合。
每當我(wo)們編寫嵌入式程序時，都(dou)應該(gai)牢記中斷(duan)(duan)的(de)魔力，但同時也(ye)要(yao)謹慎使用(yong)。中斷(duan)(duan)雖(sui)然能幫助(zhu)我(wo)們快速響應事(shi)件，但頻繁的(de)中斷(duan)(duan)也(ye)可能打亂系(xi)統(tong)的(de)節奏。因此，理解中斷(duan)(duan)的(de)工作原理，合(he)理設置中斷(duan)(duan)優先(xian)級，是(shi)開發高效(xiao)、穩定系(xi)統(tong)的(de)關(guan)鍵。
中斷處理就像是一場硬(ying)件與軟件的舞蹈，在STM32的世(shi)界里，它們通(tong)過中斷向量(liang)表和NVIC的引導，時(shi)刻保持(chi)默(mo)契，共同演奏(zou)出(chu)一場高效的交響樂。
