嵌入式学习 | STM32 裸板驱动开发（Day05）超详细复习笔记外部中断 EXTI、NVIC 优先级、串口中断实战

一、什么是中断

在嵌入式裸机开发中，CPU 默认顺序执行主循环代码。 中断是 ARM 内核提供的硬件机制：当外设产生突发事件时，可以主动打断 CPU 当前正在执行的程序，优先处理紧急事件；中断处理完毕后，CPU 回到被打断的位置继续运行原有代码。

两种程序处理方式对比

方式	原理	优点	缺点
轮询方式	CPU 不断循环查询外设状态	逻辑简单，无栈操作、无现场切换	持续占用 CPU，资源利用率极低；响应实时性差
中断方式	外设主动通知 CPU，无事时 CPU 正常运行主程序	CPU 效率高，事件响应实时性强	需要理解中断堆栈、现场保护，逻辑相对复杂

没有中断机制时，想要检测按键、串口数据，只能不断循环查询；使用中断后，CPU 空闲时可以处理其他任务，外设产生事件后再通知 CPU 处理，是嵌入式实时开发的核心基础。

二、中断系统三层硬件架构（对应课堂示意图）

从上至下分为三层：ARM 内核层 → 中断控制器层 → 中断源外设层 信号流向：外设中断源 → 中断控制器 NVIC → ARM 内核

2.1 ARM 内核：标准 4 步中断处理流程（图中标注核心逻辑）

当 NVIC 向 ARM 内核发送有效的中断请求后，Cortex-M 内核硬件自动完成以下 4 个步骤：

1. 暂停正在执行的程序，保存现场 CPU 停止当前代码执行，硬件自动将 R0~R3、LR、PC、程序状态寄存器 xPSR 压入栈中保存。

注意：只有部分寄存器由硬件自动保存，其余寄存器需要我们在中断服务函数手动保存。

1. 查询异常向量表，跳转至中断处理函数 内核根据中断编号，在启动文件 startup_stm32f10x.s 的异常向量表中，读取中断服务函数入口地址，实现程序跳转。

2. 执行中断处理函数（ISR） 运行用户编写的中断服务函数，完成外设事件处理（读取串口数据、检测按键电平）。

3. 恢复现场，继续执行被打断的程序 中断函数执行结束，硬件从栈中恢复之前保存的寄存器，CPU 回到中断发生前的代码位置继续运行。

💡 通俗理解：你正在看书（主程序），门铃响了（中断信号）。放下书本标记页码（保存现场）→ 开门处理访客（中断服务函数）→ 处理完毕，回到标记位置继续看书（恢复现场）。

2.2 中断控制器分类

不同架构 ARM 处理器搭配不同中断控制器：

控制器名称	适用架构	代表芯片
NVIC 嵌套向量中断控制器	Cortex‑M 系列（M0/M3/M4/M7）	STM32F1/F4/F103 等单片机
GIC 通用中断控制器	Cortex‑A 系列	Linux 开发板（IMX6ULL、RK3568）
NIC	小众低功耗处理器	极少使用

NVIC 两大核心工作

1. 管理中断优先级 STM32F1 系列优先级寄存器为 16bit 宽度，硬件仅使用高 4bit 。通过优先级分组，将 4bit 切分为：抢占优先级（组优先） + 响应优先级（子优先）
2. 为每个中断源分配唯一中断号 中断号由 ARM 内核标准定义，固化在启动文件异常向量表。内核依靠中断号区分不同外设中断，定位对应的中断服务函数。

2.3 中断源（产生中断请求的外设）

可以主动发出中断信号的外设统称为中断源，STM32F1 常用中断源：

• GPIO 外部中断（依托 EXTI 控制器）
• USART 串口通信
• IIC、SPI 串行外设
• RTC 实时时钟
• SysTick 系统定时器
• TIM 定时器、ADC 模数转换器

示例通路：按键 KEY0（PC9）外部中断 PC9 引脚 → GPIO 配置映射至 EXTI9 中断线 → EXTI 产生中断请求信号 → NVIC 接收信号、优先级仲裁 → ARM 内核响应中断，进入 EXTI9 中断服务函数

三、外部中断 EXTI（外部中断 / 事件控制器）

EXTI 全称 External Interrupt/Event Controller，专门捕获 GPIO 电平边沿变化，实现按键、外部传感器电平信号触发中断。

3.1 EXTI 硬件资源：合计 19 根中断线

1. EXTI0 ~ EXTI15（16 根，绑定通用 GPIO 引脚）

• EXTI0：PA0 / PB0 / PC0 / PD0 / PE0 ... 所有端口的 0 号引脚
• EXTI1：PA1 / PB1 / PC1 / PD1 ...
• ......
• EXTI15：PA15 / PB15 / PC15 / PD15 ...

⚠️ 硬性限制（高频考点） 同一根 EXTI 中断线，同一时刻只能选择一个 GPIO 引脚。 例：EXTI9 配置为 PC9 触发中断，则不能同时使用 PA9、PB9 触发外部中断。

1. 额外 3 根内部中断线（不连接 GPIO 引脚）

   中断线	功能
   EXTI16	PVD 电源电压监测中断
   EXTI17	RTC 闹钟事件中断
   EXTI18	USB 唤醒事件中断

3.2 EXTI 工作模式区分

• 中断模式：产生信号送入 NVIC，触发 CPU 中断；
• 事件模式：仅产生内部脉冲信号，不通知 CPU，用于触发 DMA、定时器等外设，不占用内核。

四、NVIC 中断优先级深度解析（4bit 优先级位）

4bit 优先级位被切分为两类优先级：

1. 抢占优先级（组优先）

• 作用：支持中断嵌套；抢占优先级数值越小，优先级越高。
• 规则：高抢占优先级中断，可以打断当前正在运行的低抢占优先级中断。

1. 响应优先级（子优先）

• 作用：不支持中断嵌套；多个中断同时触发、抢占优先级相同时，响应优先级数值越小优先执行。

✅ 核心铁律： 只有抢占优先级数值不同，才能够发生中断嵌套；仅仅子优先级不同，中断之间无法互相抢占！

4.1 优先级分组配置规则

使用函数 NVIC_PriorityGroupConfig() 设置分组，4bit 分配方案如下表：

优先级分组	抢占优先级占用位数	响应优先级占用位数	特性
NVIC_PriorityGroup_0	0 bit	4 bit	禁止所有中断嵌套
NVIC_PriorityGroup_1	1 bit	3 bit	可实现少量嵌套
NVIC_PriorityGroup_2	2 bit	2 bit	项目最常用
NVIC_PriorityGroup_3	3 bit	1 bit	支持多层中断嵌套
NVIC_PriorityGroup_4	4 bit	0 bit	无响应优先级

⚠️ 致命踩坑点：整个工程优先级分组代码只能调用一次！多次配置分组会导致所有中断优先级全部错乱。

4.2 优先级配置标准库示例代码

#include "stm32f10x.h"

void NVIC_Config(void)
{
    // 设置优先级分组2：抢占2bit，响应2bit，全局只调用一次！
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    // 配置EXTI9中断
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;         // 响应优先级
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

五、课堂实战练习

练习 1：串口接收中断实验

实验需求 将 USART 配置为接收中断模式，上位机串口发送指令：

• 发送字符串 on → 开启蜂鸣器
• 发送字符串 off → 关闭蜂鸣器

开发思路流程图

1. 初始化 GPIO（蜂鸣器引脚）
2. 初始化 USART 外设，开启接收非空中断
3. 在中断服务函数读取单字节数据，存入接收缓冲区
4. 主循环持续解析缓冲区字符串
5. 匹配指令，控制蜂鸣器高低电平输出

核心中断函数框架（标准库）

// 串口1中断服务函数，函数名固定不可修改
void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t ch;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        ch = USART_ReceiveData(USART1); // 读取收到的数据
        // 将ch存入自定义接收缓冲区
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); // 清除中断标志
    }
}

六、课后作业

基础作业

独立实现【练习 1】全部功能：串口接收指令，on开启蜂鸣器，off关闭蜂鸣器。

拓展搭档双人通信实验（两块开发板互联）

硬件连接 两块 STM32 开发板串口交叉相连： A 板 TX → B 板 RX B 板 TX → A 板 RX 两块开发板 GND 共地；PC 串口连接其中一块开发板。

通信需求 上位机发送 on → 当前开发板转发指令，开启搭档开发板蜂鸣器 上位机发送 off → 当前开发板转发指令，关闭搭档开发板蜂鸣器

💡拓展思考： 需要自定义简易通信标识，区分本地执行指令与转发指令，防止两块板子相互循环转发消息，造成程序卡死。

七、中断开发避坑清单（面试高频考点）

1. 完整中断链路：中断源 → EXTI（外部中断） → NVIC → ARM 内核；内核固定 4 步：保存现场→跳转中断服务函数→执行中断程序→恢复现场
2. 中断服务函数执行时间必须尽可能短，复杂运算、延时、循环尽量放到主循环，长时间中断会阻塞系统其他事件
3. 绝大多数中断触发后，必须手动清除中断标志位，否则会持续重复进入中断
4. EXTI 仅支持边沿触发（上升沿 / 下降沿 / 双边沿），不支持持续电平触发
5. EXTI 同一根中断线同一时间只能选择一个 GPIO 引脚
6. 中断服务函数名称固定，必须和启动文件startup_stm32f10x.s异常向量表保持一致，不能随意改名
7. NVIC 优先级分组全局唯一，禁止多次调用NVIC_PriorityGroupConfig()
8. 中断内尽量不要使用 printf、复杂函数，容易造成栈溢出

八、拓展思考题（自我检验）

1. 如果抢占优先级相同，两个中断同时到来，谁先执行？
2. 能否使用 EXTI 同时实现 PA9 和 PC9 两个按键中断？为什么？
3. 中断嵌套发生的前提条件是什么？