STM32 (Cortex-M3) 中NVIC(嵌套向量中断控制)的理解

1万 · 2016-2-8 18:13

一、STM32 (Cortex-M3) 中的优先级概念

STM32(Cortex-M3)中有两个优先级的概念：抢占式优先级和响应优先级，也把响应优先级称作“亚优先级”或“副优先级”，每个中断源都需要被指定这两种优先级。

1. 何为占先式优先级(pre-emption priority)

高占先式优先级的中断事件会打断当前的主程序/中断程序运行—抢断式优先响应，俗称中断嵌套。

2. 何为副优先级(subpriority)

在占先式优先级相同的情况下，高副优先级的中断优先被响应;

在占先式优先级相同的情况下，如果有低副优先级中断正在执行，高副优先级的中断要等待已被响应的低副优先级中断执行结束后才能得到响应—非抢断式响应(不能嵌套)。

3. 判断中断是否会被响应的依据

首先是占先式优先级，其次是副优先级;

占先式优先级决定是否会有中断嵌套;

Reset、NMI、Hard Fault 优先级为负(高于普通中断优先级)且不可调整。

4. 优先级冲突的处理

具有高抢占式优先级的中断可以在具有低抢占式优先级的中断处理过程中被响应，即中断的嵌套，或者说高抢占式优先级的中断可以嵌套低抢占式优先级的中断。

当两个中断源的抢占式优先级相同时，这两个中断将没有嵌套关系，当一个中断到来后，如果正在处理另一个中断，这个后到来的中断就要等到前一个中断处理完之后才能被处理。如果这两个中断同时到达，则中断控制器根据他们的响应优先级高低来决定先处理哪一个;如果他们的抢占式优先级和响应优先级都相等，则根据他们在中断表中的排位顺序决定先处理哪一个。

5. Cortex-M3中对中断优先级的定义

既然每个中断源都需要被指定这两种优先级，就需要有相应的寄存器位记录每个中断的优先级;在Cortex-M3中定义了8个比特位用于设置中断源的优先级，这8个比特位可以有8种分配方式，如下：

所有8位用于指定响应优先级

最高1位用于指定抢占式优先级，最低7位用于指定响应优先级

最高2位用于指定抢占式优先级，最低6位用于指定响应优先级

最高3位用于指定抢占式优先级，最低5位用于指定响应优先级

最高4位用于指定抢占式优先级，最低4位用于指定响应优先级

最高5位用于指定抢占式优先级，最低3位用于指定响应优先级

最高6位用于指定抢占式优先级，最低2位用于指定响应优先级

最高7位用于指定抢占式优先级，最低1位用于指定响应优先级

这就是优先级分组的概念。

6. stm32中对中断优先级的定义

Cortex-M3允许具有较少中断源时使用较少的寄存器位指定中断源的优先级，因此STM32把指定中断优先级的寄存器位减少到4位，这4个寄存器位的分组方式如下：

第0组：所有4位用于指定响应优先级

第1组：最高1位用于指定抢占式优先级，最低3位用于指定响应优先级

第2组：最高2位用于指定抢占式优先级，最低2位用于指定响应优先级

第3组：最高3位用于指定抢占式优先级，最低1位用于指定响应优先级

第4组：所有4位用于指定抢占式优先级

1万 · 2016-2-8 18:14

AIRC(Application Interrupt and Reset Register)寄存器中有用于指定优先级的 4 bits。这4个bits用于分配preemption优先级和sub优先级，在STM32的固件库中定义如下:
/* Preemption Priority Group */
#define NVIC_PriorityGroup_0 ((u32)0x700) /* 0 bits for pre-emption priority
4 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_1 ((u32)0x600) /* 1 bits for pre-emption priority
3 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_2 ((u32)0x500) /* 2 bits for pre-emption priority
2 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_3 ((u32)0x400) /* 3 bits for pre-emption priority
1 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_4 ((u32)0x300) /* 4 bits for pre-emption priority
0 bits for subpriority */
可以通过调用STM32的固件库中的函数NVIC_PriorityGroupConfig()选择使用哪种优先级分组方式，这个函数的参数有下列5种：
NVIC_PriorityGroup_0 => 选择第0组
NVIC_PriorityGroup_1 => 选择第1组
NVIC_PriorityGroup_2 => 选择第2组
NVIC_PriorityGroup_3 => 选择第3组
NVIC_PriorityGroup_4 => 选择第4组
接下来就是指定中断源的优先级，下面以一个简单的例子说明如何指定中断源的抢占式优先级和响应优先级：
// 选择使用优先级分组第1组
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
// 使能EXTI0中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQChannel;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 指定抢占式优先级别1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 指定响应优先级别0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
// 使能EXTI9_5中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQChannel;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 指定抢占式优先级别0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 指定响应优先级别1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
--------------------------------------------------------------------------------
要注意的几点是：
1. 如果指定的抢占式优先级别或响应优先级别超出了选定的优先级分组所限定的范围，将可能得到意想不到的结果;
2. 抢占式优先级别相同的中断源之间没有嵌套关系;
3. 如果某个中断源被指定为某个抢占式优先级别，又没有其它中断源处于同一个抢占式优先级别，则可以为这个中断源指定任意有效的响应优先级别。
二、开关总中断
在STM32/Cortex-M3中是通过改变CPU的当前优先级来允许或禁止中断。
PRIMASK位：只允许NMI和hard fault异常，其他中断/异常都被屏蔽(当前CPU优先级=0)。
FAULTMASK位：只允许NMI，其他所有中断/异常都被屏蔽(当前CPU优先级=-1)。
在STM32固件库中(stm32f10x_nvic.c和stm32f10x_nvic.h) 定义了四个函数操作PRIMASK位和FAULTMASK位，改变CPU的当前优先级，从而达到控制所有中断的目的。
下面两个函数等效于关闭总中断：
void NVIC_SETPRIMASK(void);
void NVIC_SETFAULTMASK(void);
下面两个函数等效于开放总中断：
void NVIC_RESETPRIMASK(void);
void NVIC_RESETFAULTMASK(void);
上面两组函数要成对使用，但不能交叉使用。
例如：
第一种方法：
NVIC_SETPRIMASK(); //关闭总中断
NVIC_RESETPRIMASK();//开放总中断
第二种方法：
NVIC_SETFAULTMASK(); //关闭总中断
NVIC_RESETFAULTMASK();//开放总中断
常常使用：
NVIC_SETPRIMASK(); // Disable Interrupts
NVIC_RESETPRIMASK(); // Enable Interrupts
-------------------------------------------------------------------------------------------------
补充：
可以用：
#define CLI() __set_PRIMASK(1)
#define SEI() __set_PRIMASK(0)
来实现开关总中断的功能。

1万 · 2016-2-8 18:16

记得在DSP TMS32F2812中，中断向量的初始化是由一段地址拷贝代码完成的，在STM32（Cortex-M3)中没有显示的代码拷贝，只有启动代码进行了向量的初始化，一直以为是编译器在程序影像中自己完成了相关向量的拷贝，即，拷贝到固定的NVIC区，事实上并不是这样，cortex-m3并没有一块专门用于存放NVIC向量表的地方，这张表实际是存放在代码（程序映像）的开始，下面引用cortex-M3权威指南进行解释：
当发生了异常并且要响应它时，CM3需要定位其服务例程的入口地址。这些入口地址存储在所谓的“（异常）向量表”中。缺省情况下，CM3认为该表位于零地址处，且各向量占用4字节。因此每个表项占用4字节，如表7.6所示。

1万 · 2016-2-8 18:17

因为地址0处应该存储引导代码，所以它通常映射到Flash或者是ROM器件，并且它们的值不得在运行时改变。然而，为了支持动态重分发中断，CM3允许向量表重定位——从其它地址处开始定位各异常向量。这些地址对应的区域可以是代码区，但更多是在RAM区。在RAM区就可以修改向量的入口地址了。为了实现这个功能，NVIC中有一个寄存器，称为“向量表偏移量寄存器”（在地址0xE000_ED08处），通过修改它的值就能重定位向量表。但必须注意的是：向量表的起始地址是有要求的：必须先求出系统中共有多少个向量，再把这个数字向上“圆整”到2的整次幂，而起始地址必须对齐到后者的边界上。例如，如果一共有32个中断，则共有32+16（系统异常）=48个向量，向上圆整到2的整次幂后值为64，因此向量表重定位的地址必须能被64*4=256整除，从而合法的起始地址可以是：0x0, 0x100, 0x200等。向量表偏移量寄存器的定义如表7.7所示。

1万 · 2016-2-8 18:18

如果需要动态地更改向量表，则对于任何器件来说，向量表的起始处都必须包含以下向量：
 主堆栈指针（MSP）的初始值
 复位向量
 NMI
 硬fault服务例程
后两者也是必需的，因为有可能在引导过程中发生这两种异常。
可以在SRAM中开出一块空间用于存储向量表。在引导期间先填写好各向量，然后在引导完成后，就可以启用内存中的新向量表，从而实现向量可动态调整的能力。

只看该作者 · 2016-2-10 14:04

643757107 发表于 2016-2-8 18:14
AIRC(Application Interrupt and Reset Register)寄存器中有用于指定优先级的 4 bits。这4个bits用于分配pr ...

这个中断优先级的设置还是挺不好弄的，我在这里经常卡住