STM32学习笔记（4）——NVIC中断优先级管理和外部中断EXTI
一、NVIC中断优先级管理
1. 中断简介
在Cortex-M3（CM3）内核中，每个中断的优先级都是用寄存器中的8位来设置的，这样就有2^8 =256级中断，意味着可以支持256个中断，这其中包含了16个内核中断和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置。但许多芯片厂商并没有使用CM3内核的全部东西，而是只用了它的一部分，而多余的部分应该是设计者考虑到后续应用发展而冗余设计的。
实际情况中，芯片厂商根据自己生产的芯片做出了调整。比如ST（意法半导体）公司的STM32F1xx和F4xx系列只使用了这个（寄存器NVIC->IPR，如图所示）8位中的高四位[7:4]，低四位取零，这样2^4=16，只能表示16级中断嵌套。
STM32有84个中断，包括16个内核中断和68个可屏蔽中断，具有16级可编程的中断优先级。我们使用的是STM32F103系列，只有60个可屏蔽中断，而在107系列有68个。
2. 中断向量表
中断向量表为每个外设作了硬件编号，可以把它理解为默认顺序。如果有两个外设工作顺序发生冲突（一般在NVIC设置好后就很少发生这种情况）时，就按照这个表来分执行先后。
STM32的中断向量表如下（可对照STM32中文参考手册9.1.2节中断和异常向量中的表）：
其中灰色的部分（图片未显示）为异常向量，其余白色部分为中断向量。
在头文件stm32f10x.h的163行开始中定义了各中断向量的顺序编号，现摘录该定义（IRQ = Interrupt Request）：
/****** Cortex-M3 Processor Exceptions Numbers 内核处理器异常编号（用户一般不使用，说白就是不用管） ***************************************************/
NonMaskableInt_IRQn = -14, /*!< 2 Non Maskable Interrupt */
······
/****** STM32 specific Interrupt Numbers STM32特定中断号 *********************************************************/
WWDG_IRQn = 0, /*!< Window WatchDog Interrupt */
PVD_IRQn = 1, /*!< PVD through EXTI Line detection Interrupt */
TAMPER_IRQn = 2, /*!< Tamper Interrupt */
······
//省略号表示下面还有很多很多，而且使用的是条件编译，因为不同型号对应不同中断号。
在头文件core_cm3.h中可以看到配置与中断相关的寄存器。实际上ST芯片用不到这么大的寄存器，因此我们在网上借鉴了一段代码，反映了ST芯片真实使用到的寄存器大小。其余未使用到的空间均为保留。
/*
cortex-m3内核分组方式（8组）结构体表达方式：
*/
typedef struct
{
__IO uint32_t ISER[8]; //中断使能设置寄存器，作用：用来使能中断
//32位寄存器，每个位控制一个中断的使能。STM32F10x只有60个可屏蔽中断，所以只使用了其中的ISER[0]和ISER[1]。
//ISER[0]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ISER[1]的bit0~27对应中断32~59；
/*!< 偏移量: 0x000 Interrupt Set Enable Register */
uint32_t RESERVED0[24]; //这些保留的不用看，也不要使用
__IO uint32_t ICER[8]; //中断清除使能寄存器，作用：用来失能中断
//32位寄存器，每个位控制一个中断的失能。STM32F10x只有60个可屏蔽中断，所以只使用了其中的ICER[0]和ICER[1]。
//ICER[0]的bit0~bit31分别对应中断0~31。ICER[1]的bit0~27对应中断32~59，下面都差不多
/*!<偏移量: 0x080 Interrupt Clear Enable Register */
uint32_t RSERVED1[24];
__IO uint32_t ISPR[8]; //中断挂起设置寄存器，作用：用来挂起中断，就是我之前关掉这个中断，但现在我想打开它了！
/*!< 偏移量: 0x100 Interrupt Set Pending Register */
uint32_t RESERVED2[24];
__IO uint32_t ICPR[8]; //中断清除挂起寄存器，作用：用来解挂中断，说白了就是我不想用这个中断，暂时关掉！
/*!<偏移量: 0x180 Interrupt Clear Pending Register */
uint32_t RESERVED3[24];
__IO uint32_t IABR[8]; //中断激活状态位寄存器，作用：只读，通过它可以知道当前在执行的中断是哪一个
//问题：既然只读的话为何不声明 __I ？没搞懂
/*!< 偏移量: 0x200 Interrupt Active bit Register */
uint32_t RESERVED4[56];
__IO uint8_t IP[240]; //中断优先级寄存器
//240个8位寄存器，每个中断使用一个寄存器来确定优先级。STM32F10x系列一共60个可屏蔽中断，使用IP[59]~IP[0]。
//之前已经讲过，每个IP寄存器的高4位用来设置抢占和响应优先级（根据分组），低4位没有用到。
/*!< 偏移量: 0x300 Interrupt Priority Register (8Bit wide) */
uint32_t RESERVED5[644]; //软件触发方式寄存器
__O uint32_t STIR; /*!< 偏移量: 0xE00 Software Trigger Interrupt Register */
} NVIC_Type;
/*
实际STM32分组（5组）方式结构体表达方式
*/
typedef struct
{
vu32 ISER[2]; //v表示volatile，这个关键字很重要，以后有时间去研究研究
u32 RESERVED0[30];
vu32 ICER[2];
u32 RSERVED1[30];
vu32 ISPR[2];
u32 RESERVED2[30];
vu32 ICPR[2];
u32 RESERVED3[30];
vu32 IABR[2];
u32 RESERVED4[62];
vu32 IPR[15]; //Interrupt Priority Registers，这里可以与上面的IP对应
//大家可以算算，每个寄存器仅占用4位，15*4=60是不是正好。
} NVIC_TypeDef;
这么多的中断，该怎样管理呢？NVIC这时要出场了。
3. 嵌套向量中断控制器（NVIC）
NVIC的全称是Nested vectoredinterrupt controller，即嵌套向量中断控制器。
需要注意一点：NVIC是Cortex-M3核心的一部分，因此就不要在STM32中文参考手册里面找了（STM32：关我鸟事？），应查阅ARM的Cortex-M3技术参考手册。
NVIC一个很重要的概念是优先级分组。和51单片机不同，NVIC将优先级分为两个：抢占优先级（PreemptionPriority）和响应优先级（SubPriority）。从英文就知道了，抢占优先级比响应优先级要高。同一个优先级上，数字越小，优先级越高。工作原理如下：
【情况一】外设B工作时遇到中断请求，外设A需要工作，因为A的抢占优先级高，这时外设B会立刻停止，外设A抢占B开始工作。如果遇到多个中断请求，还会进入中断嵌套，形成“套娃”。所以，抢占优先级是可以嵌套的。
如果是A和B同时到来，因为A的抢占优先级高，会先执行A，后执行B。
| 外设 | 抢占优先级 | 响应优先级 | 中断向量号 |
|---|---|---|---|
| A | 1 | 2 | 3 |
| B | 2 | 1 | 4 |
【情况二】外设B工作时遇到中断请求，外设A需要工作，因为两者抢占优先级相同，此时只能实行先到先得，B弄完后A再来了。所以，响应优先级是不能嵌套的。
如果是A和B同时到来，因为两者抢占优先级相同，此时继续比较响应优先级，B的响应优先级高，会先执行B，后执行A。
| 外设 | 抢占优先级 | 响应优先级 | 中断向量号 |
|---|---|---|---|
| A | 1 | 2 | 3 |
| B | 1 | 1 | 4 |
【情况三】外设B工作时遇到中断请求，外设A需要工作，因为两者抢占优先级和响应优先级相同，所以实行的是先到先得的办法，谁先执行就让谁了。
如果是A和B同时到来，因为A的中断向量号小，会先执行A，后执行B。
| 外设 | 抢占优先级 | 响应优先级 | 中断向量号 |
|---|---|---|---|
| A | 1 | 1 | 3 |
| B | 1 | 1 | 4 |
4. NVIC的定义以及库函数
在STM32中，优先级编号不是你想多少就多少的，是有规定的。首先，NVIC对STM32中断进行分组，一共5个组，组0~4。同时，对每个中断设置一个抢占优先级和一个响应优先级值。分组配置是在寄存器SCB->AIRCR（可在头文件core_cm3.h找到）中配置的。
如下表：
对应：
- 第0组：所有4位(仅能用0-15设置优先级别，下同)用于指定响应优先级
- 第1组：最高1位(0-1)用于指定抢占式优先级，最低3位(0-7)用于指定响应优先级
- 第2组：最高2位(0-3)用于指定抢占式优先级，最低2位(0-3)用于指定响应优先级
- 第3组：最高3位(0-7)用于指定抢占式优先级，最低1位(0-1)用于指定响应优先级
- 第4组：所有4位(0-15)用于指定抢占式优先级
NVIC的定义（位于头文件misc.h，80行还有一个和上面一样的表格）如下：
typedef struct
{
uint8_t NVIC_IRQChannel; //指定是哪个外设需要中断，各外设向量号在stm32f10x.h可以看到
uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority; //设置抢占优先级编号（至于最大可以多少参照上表）
uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; //设置响应优先级编号（至于最大可以多少参照上表）
FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; //使能中断通道
} NVIC_InitTypeDef;
NVIC的库函数定义（位于头文件misc.h）如下：
void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup);
void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct);
void NVIC_SetVectorTable(uint32_t NVIC_VectTab, uint32_t Offset);
void NVIC_SystemLPConfig(uint8_t LowPowerMode, FunctionalState NewState);
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource);
//与挂起和解挂有关的函数：
static __INLINE void NVIC_SetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn)；
static __INLINE uint32_t NVIC_GetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn)；
static __INLINE void NVIC_ClearPendingIRQ(IRQn_Type IRQn);
//与中断标志激活位有关的函数（作用就是看这个中断有没挂起，别想多了）：
static __INLINE uint32_t NVIC_GetActive(IRQn_Type IRQn);
使用NVIC的流程如下：
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
// 1.选择优先级分组
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);
// 2.选择需要产生中断的外设
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn;
// 3.设置抢占优先级级别
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
// 4.设置响应优先级级别
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
// 5.使能中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
// 6.初始化中断
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
二、外部中断EXTI
EXTI（External interrupt / event controller）又叫外部中断/事件控制器，EXTI是ST公司在其STM32产品上扩展的外中断控制。它负责管理映射到GPIO引脚上的外中断和片内几个集成外设的中断（PVD，RTC闹钟，USB唤醒，以太网），以及软件中断。其输出最终被映射到NVIC的相应通道。因此，配置EXTI中断的过程必然包含对NVIC的配置。（不严谨理解：NVIC包含EXTI）
在头文件stm32f10x.h中，我们用的是STM32F10X_HD型，所以有关EXTI的中断向量号分别如下（尤其需要注意最后两个）：
EXTI0_IRQn = 6, /*!< EXTI Line0 Interrupt */
EXTI1_IRQn = 7, /*!< EXTI Line1 Interrupt */
EXTI2_IRQn = 8, /*!< EXTI Line2 Interrupt */
EXTI3_IRQn = 9, /*!< EXTI Line3 Interrupt */
EXTI4_IRQn = 10,
EXTI9_5_IRQn = 23, /*!< External Line[9:5] Interrupts */
EXTI15_10_IRQn = 40, /*!< External Line[15:10] Interrupts */
EXTI由19个（互联型为20个）产生事件/中断请求的边沿检测器组成，每个输入线可以独立地配置输入类型(脉冲或挂起)和对应的触发事件(上升沿或下降沿或者双边沿都触发)。每个输入线都可以独立地被屏蔽。
1. EXTI功能框图
（该图来自火哥PPT）
对照图中编号顺序来讲讲各个元素（以下寄存器配置对照STM32中文参考手册9.3EXTI寄存器描述）：
（0）信号线
图中箭头为信号线，可以看到箭头所指方向为信号传输方向，双箭头表示信号可双向传导。上面的“/20”表示在控制器内部类似的信号线路有20个，这里是省略了其余19个信号线（这里显示的是互联型）。这里详细说一下哪些可以作为输入：每个IO都可以作为外部中断输入，中断控制器支持19个外部中断/事件请求。具体如下：
- 线（EXTI_Linex）0-15：对应外部IO口的输入中断（PX0、PX1、···、PX15，X = A、B、C、D、E、F、G、H、I）
- 线16：连接到PVD输出
- 线17：连接到RTC闹钟事件
- 线18：连接到USB唤醒事件
- 线19（只适用于互联型）：连接到以太网唤醒事件
下图显示的是在AFIO_EXTICR寄存器的EXTIx位（AFIO是复用GPIO，以后会讲到）：
（1）输入线
EXTI有19个中断/事件输入线，中断输入可以来自GPIO，也可以来自外设。
（2）边沿检测电路
可以通过寄存器设置电路是上升沿触发（EXTI_RTSR）或下降沿触发（EXTI_FTSR）或两者皆触发。若检测到有效信号则输出高电平（1），否则低电平（0）。
（3）或门
输入分别是来自边沿检测电路和软件中断寄存器（EXTI_SWIER），只要有一个输入为高电平，输出即为高电平。
（4）与门
输入分别来自中断屏蔽寄存器（EXTI_IMR）和请求挂起寄存器（EXTI_PR），需要两个输入为高电平，输出才为高电平。
（5）输出至NVIC
将EXTI_PR寄存器内容输出到NVIC内，从而实现系统中断事件控制。以上均为NVIC路线。
（6）与门
输入分别来自事件屏蔽寄存器（EXTI_EMR）和或门输出，需要两个输入为高电平，输出才为高电平。
（7）脉冲发生器
当输入端，即与门（6）的输出端，是一个高电平就会产生一个脉冲；如果输入端是低电平就不会输出脉冲。
（8）产生事件
脉冲发生器产生的脉冲信号，是事件线路最终的产物，这个脉冲信号可以给其他外设电路使用。
2. EXTI的定义以及库函数
在头文件stm32f10x_exti.h中定义了结构体EXTI：
typedef struct
{
uint32_t EXTI_Line;
// EXTI中断/事件线选择，参数为EXTI_Linex
EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode;
// EXTI模式选择：中断（EXTI_Mode_Interrupt）触发或者事件（EXTI_Mode_Event）触发
EXTITrigger_TypeDef EXTI_Trigger;
// EXTI边沿触发类型选择：上升沿触发(EXTI_Trigger_Rising)、下降沿触发(EXTI_Trigger_Falling)
//或者上升沿和下降沿都触发(EXTI_Trigger_Rising_Falling)
FunctionalState EXTI_LineCmd;
// 使能EXTI
}EXTI_InitTypeDef;
同时，也定义了库函数（参考原子PPT）：
①void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
//设置IO口与中断线的映射关系
exp: GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE,GPIO_PinSource2);
②void EXTI_Init(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct);
//初始化中断线：触发方式等
③ITStatus EXTI_GetITStatus(uint32_t EXTI_Line);
//判断中断线中断状态，是否发生
④void EXTI_ClearITPendingBit(uint32_t EXTI_Line);
//清除中断线上的中断标志位
在设置好EXTI后，还要指定中断后程序要干什么，这就需要用户自己定义中断服务函数，但是函数名不能乱起，在startup_stm32f10x_hd.s文件中已经写好了中断向量表的顺序（从62行__Vectors开始），这些就是函数名。至于怎么写，待会举个例子就好了。
使用EXTI的流程较繁琐，如下：
// 0.先配置想要产生中断的GPIO，用GPIO配置的方法配置
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
// 1.开启（使能）GPIO复用时钟（关键一步）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
// 2.选择IO口与中断线的映射关系
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource3);
// 3.EXTI中断/事件线选择
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3;
// 4.EXTI边沿触发类型选择
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
// 5.EXTI模式选择
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
// 6.使能EXTI
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
// 7.初始化EXTI
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
// 8.编写中断服务函数，中断后你想干嘛都写在这里面
EXTIx_IRQHandler(){···}
// 9.别忘了在中断服务函数里面清除中断标志位
EXTI_ClearITPendingBit();
三、一个简单的例程
功能：按键KEY1按下，实现一次LED0反转。初始状态时LED0灭。用NVIC和EXTI中断实现。
部分程序（省略led部分）如下：
// main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "exti_config.h"
int main(void)
{
LED_Init();
delay_init();
EXTI_Key_Config();
EXTI_NVIC_Config();
while(1){}
}
//exti_config.h
#ifndef __EXTI_CONFIG_H
#define __EXTI_CONFIG_H
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#define KEY1 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_3)
void EXTI_Key_Config(void);
void EXTI_NVIC_Config(void);
#endif /* __EXTI_CONFIG_H */
//exti_config.c
#include "exti_config.h"
void EXTI_NVIC_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); // NVIC组别为0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //抢占优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //响应优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
// KEY1: PE3
void EXTI_Key_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
//初始化GPIOE.3
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
//为GPIOE.3配置EXTI
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource3);
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}
//中断服务函数
void EXTI3_IRQHandler(void)
{
delay_ms(10); //按键延时判断
if(KEY1 == 0)
{
LED0 = !LED0;
}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3); //记得最后清除中断标志位，为下一次中断做准备
}
