【明解STM32】中断系统理论基础知识篇之中断寄存器功能原理

只看该作者 · 2023-9-30 10:43

前言
在之前的STM32的中断系统理论基础知识之基本原理及NVIC中，分别中断的基本原理，中断的管理机制和中断的处理流程进行了较为详细的论述，读者通过全篇的阅读了解可以整体上对以围绕NVIC为管理核心的STM32的中断系统有一个初步的了解，明白中断的一些基本概念以及STM32中断系统的一个大致的工作流程。

这一篇主要对中断系统相关的寄存器进行相应的分析介绍，适当了解中断系统寄存器的相关介绍，有助于加深对STM32内核的中断及异常的认识，明白中断时的功能都是由哪些寄存器负责完成实现的，同时对后续介绍到的中断相关配置及API函数的使用有很好的帮助。

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寄存器概述
      图1为STM32中断系统寄存器的概述，总共可以分为3组不同的寄存器组。各个寄存器组下分别又有不同用于中断控制的寄存器。它们都属于STM32内核上的寄存器。

      (1)、NVIC作为内嵌向量中断控制器，控制着整个芯片中断相关的功能，它跟内核紧密耦合，是内核里面的一个外设。但是各个芯片厂商在设计芯片的时候会对 Cortex-M3 内核里面的 NVIC 进行裁剪，把不需要的部分去掉，所以说 STM32的 NVIC 是Cortex-M3的 NVIC 的一个子集。它用于总体管理异常和中断，因此提供了和中断系统紧密相关的控制和状态寄存器；

      (2)、SCB为系统控制块，SCB中包含了一些内核系统控制相关的寄存器，同时也包含了关于中断相关的，由于本篇主要介绍中断系统，因此这里就只针对SCB中关于中断控制的寄存器功能进行分析介绍；

      (3)、而为了满足一些代码段不允许被中断打断，那么这段代码就必须用关中断的方式给保护起来的场合，STM32提供了中断屏蔽寄存器，我们可以一次性把一堆必须要屏蔽的中断进行屏蔽。

图1 中断系统寄存器概述

只看该作者 · 2023-9-30 10:44

NVIC寄存器组
NVIC控制器包含一系列寄存器组,STM32为其定义了如下的结构体：

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typedef struct

{

  __IO uint32_t ISER[8];  /*!< Offset: 0x000 (R/W)  Interrupt Set Enable Register */

  uint32_t RESERVED0[24];

  __IO uint32_t ICER[8];  /*!< Offset: 0x080 (R/W)  Interrupt Clear Enable Register */

  uint32_t RSERVED1[24];

  __IO uint32_t ISPR[8];  /*!< Offset: 0x100 (R/W)  Interrupt Set Pending Register*/

  uint32_t RESERVED2[24];

  __IO uint32_t ICPR[8];  /*!< Offset: 0x180 (R/W)  Interrupt Clear Pending Register*/

  uint32_t RESERVED3[24];

  __IO uint32_t IABR[8];  /*!< Offset: 0x200 (R/W)  Interrupt Active bit Register*/

  uint32_t RESERVED4[56];

  __IO uint8_t  IP[240];  /*!< Offset: 0x300 (R/W)  Interrupt Priority Register (8Bit wide) */

  uint32_t RESERVED5[644];

  __IO  uint32_t STIR;  /*!< Offset: 0xE00 ( /W)  Software Trigger Interrupt Register*/

}  NVIC_Type;

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中断使能寄存器ISER

Interrupt Set-Enable Registers，这是一个中断使能寄存器组。总共有8个uint32类型的寄存器，即ISER[8]，上面说了 CM3 内核支持 256 个中断，这里用 8 个32位寄存器来控制，每个位控制一个中断。但是例如STM32F103 的可屏蔽中断只有 60 个，所以对我们来说，有用的就是两个（ISER[0]和 ISER[1]），总共可以表示 64 个中断。而 STM32F103 只用了其中的前 60 位。ISER[0]的 bit0 ~ bit31 分别对应中断 0 ~ 31。ISER[1]的 bit0 ~ 27 对应中断 32~59；这样总共 60 个中断就分别对应上了。你要使能某个中断，必须设置相应的 ISER 位为 1，使该中断被使能(这里仅仅是使能，还要配合中断分组、屏蔽、IO 口映射等设置才算是一个完整的中断设置)。

只看该作者 · 2023-9-30 10:45

图2 中断使能和中断除能寄存器组

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（2）、中断除能寄存器ICER

Interrupt Clear-Enable Registers，是一个中断除能寄存器组。总共有8个uint32类型的寄存器，即ICER[8]，该寄存器组与 ISER 的作用恰好相反，是用来清除某个中断的使能的。其对应位的功能，也和 ICER 一样。这里要专门设置一个 ICER 来清除中断位，而不是向 ISER 写 0 来清除，是因为NVIC 的这些寄存器都是写 1 有效的，写 0 是无效的。

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（3）、中断挂起控制寄存器ISPR

Interrupt Set-Pending Registers，是一个中断挂起控制寄存器组。总共有8个uint32类型的寄存器，即ISPR[8]，每个位对应的中断和 ISER 是一样的。通过置 1，可以将正在进行的中断挂起，暂时停止执行该中断，而执行同级或更高级别的中断。写 0 是无效的。

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（4）、中断解挂控制寄存器ICPR

Interrupt Clear-Pending Registers，是一个中断解挂控制寄存器组。总共有8个uint32类型的寄存器，即ICPR[8]，其作用与 ISPR 相反，将之前暂时停止执行的中断解挂，对应位也和 ISER 是一样的。通过设置 1，可以将挂起的中断解挂。写 0 无效。

只看该作者 · 2023-9-30 10:46

（5）、中断激活标志位寄存器IABR

Interrupt Active Bit Registers，是一个中断激活标志位寄存器组。总共有8个uint32类型的寄存器，即IABR[8]，对应位所代表的中断和 ISER 一样，如果为 1，则表示该位所对应的中断正在被执行。这是一个只读寄存器，通过它可以知道当前在执行的中断是哪一个。在中断执行完了由硬件自动清零。如果在中断执行过程中，发生了更高优先级的中断抢占，那么之前被抢占的中断该标志位依然是1。

只看该作者 · 2023-9-30 10:46

图4 中断激活标志位寄存器组

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（6）、中断优先级控制寄存器IP

Interrupt Priority Registers，是一个中断优先级控制的寄存器组。总共有240个uint8类型的寄存器，即IP[240]，这个寄存器组相当重要！STM32 的中断分组与这个寄存器组密切相关。IP 寄存器组由 240 个 8bit 的寄存器组成，每个可屏蔽中断占用 8bit，这样总共可以表示 240 个可屏蔽中断。而 STM32 只用到了其中的前 60 个。IP[59] ~ IP[0]分别对应中断 59 ~ 0。而每个可屏蔽中断占用的 8bit 并没有全部使用，而是只用了高 4 位。这 4 位，又分为抢占优先级和子优先级。抢占优先级在前，子优先级在后。而这两个优先级各占几个位又要根据 SCB->AIRCR 中的中断分组设置来决定。

图5 中断优先级控制寄存器组

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（7）、软件触发中断寄存器STIR

这个寄存器是利用软件设置中断编号的方式来触发中断发生，是一个uint32类型的寄存器，有效位为0~8。比如设置NVIC->STIR=3，则会触发中断3，需要注意的是，该寄存器无法触发系统异常如NMI或Systick的。

图6 软件触发中断寄存器

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SCB寄存器组
系统控制块(SCB)是内核外设的主要模块之一，提供系统控制以及系统执行信息，包括配置，控制，报告系统异常等。而SCB数据结构中也包含了一些常用于中断控制的寄存器。

只看该作者 · 2023-9-30 10:47

（1）、中断控制和状态寄存器ICSR

      该寄存器的主要作用为：

      a. 设置和清除系统异常的挂起状态，异常包括Systick、PendSV、NMI。这个功能和NVIC的中断挂起控制寄存器ISPR和中断解挂控制寄存器ICPR差不多；

      b.通过读取VECTACTIVE=>Vector Active域，可以确定当前执行的异常/中断编号，VECTACTIVE域和中断程序状态寄存器（IPSR）功能比较类似，IPSR包含了当前正在执行的中断服务程序（ISR）编号，只不过VECTACTIVE是用来读Systick、PendSV、NMI这些异常状态的。

只看该作者 · 2023-9-30 10:47

图7 中断控制和状态寄存器

注意：当写ICSR时，如果：写1到PENDSVSET位和写1到PENDSVCLR位；写1到PENDSTSET位和写1到PENDSTCLR位；程序执行的效果是不可预测的。该寄存器各个位域可以通过调试器读取状态，但多数情况下只有挂起位用于应用开发。

只看该作者 · 2023-9-30 10:48

（2）、向量偏移寄存器VTOR

由于CPU随时都可能检测到中断信息，也就是说，CPU 随时都可能执行中断处理程序，所以中断处理程序必须一直存储在内存某段空间之中。中断处理程序在内存中的入口地址称为中断向量；而要确定中断处理程序的入口地址，处理器利用了一种向量表机制：即中断向量，必须存储在对应的中断向量表表项中。采用向量表处理中断，处理器会从存储器的向量表中，自动定位中断的程序入口。

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一般来说，程序启动后，将首先从“中断向量表”取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动。而这张“中断向量表”的起始地址是0x8000004，当中断来临，STM32的内部硬件机制亦会自动将PC指针定位到“中断向量表”处，并根据中断源取出对应的中断向量执行中断服务程序。不过有些应用可能需要在运行时修改或定义向量表地址。为了进行这种处理，M3/M4处理器实现了一种名为向量表重定位的特性。向量表重定位特性提供了一个名为向量表偏移寄存器(VTOR)的可编程寄存器。该寄存器将正在使用的存储器的起始地址定义为向量表。

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图8 向量偏移寄存器

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中断向量表里的中断跳转地址在编译后就定下来了，SCB->VTOR向量可动态调整就是让我们的程序运行后还能改变向量的跳转地址。方法就是：在RAM重建一个中断向量表，在想改变的位置重新赋值新的跳转地址。通过赋值向量表偏移数值SCB->VTOR = (uint32_t)__VECTOR_RAM，这样下次异常发生时，就直接跳到重新指定的RAM中断向量表的首地址处，再匹配对应的中断向量。