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【GD32 MCU入门教程】四、GD32 MCU 常见外设介绍（3）NVIC 介绍N

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 楼主| 聚沃科技 发表于 2024-8-12 10:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
单片机, 嵌入式, NVIC, GD32, MCU
本帖最后由 聚沃科技 于 2024-9-18 11:35 编辑

NVIC(Nested vectored interrupt controller，嵌套向量中断控制器)是Cortex-M处理器的一部分，它是可编程的，且寄存器位于存储器映射的系统控制空间(SCS)。NVIC与内核相辅相成，共同完成对中断的响应。本章将介绍中断的优先级设置、如何定义中断函数名称、中断向量如何偏移。有关NVIC的更多知识，请见《ARM Coretex-M3权威指南》。
3.1.优先级的设置
在Cortex-M中，优先级对于异常来说很关键的，它会影响一个异常是否能被响应，以及何时可以响应。优先级的数值越小，则优先级越高。Cortex-M支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占低优先级异常。有3个系统异常：复位，NMI以及硬fault，它们有固定的优先级，并且它们的优先级号是负数，从而高于所有其它异常。所有其它异常的优先级则都是可编程的，但不能编程为负数。
原则上，Cortex-M支持3 个固定的高优先级和多达256 级的可编程优先级，并且支持128级抢占。但是，绝大多数CM3芯片都会精简设计，以致实际上支持的优先级数会更少，如8级，16级，32级 等。它们在设计时会裁掉表达优先级的几个低端有效位，以达到减少优先级数的目的。
举例来说，如果只使用了4位来表达优先级，则优先级配置寄存器的结构如图所示。
使用 4bit 表达优先级
9ae48c3b71d233e75035c676eb2f225f.png
GD32Fxxx系列、GD32E50x系列、GD32H7xx系 列、GD32A5x系列、GD32W51x系列和GD32VF103、GD32E10X系列使用了4位来表达优先级。GD32E23x和GD32L23x使用的是M23内核，只使用了2位表达优先级。
说明：GD32Fxxx系列是指：GD32F10x、GD32F1x0、GD32F20x、GD32F30x、GD32F3x0、GD32F40x、GD32F4xx。
用于表达优先级的这4bit，又被分组成抢占优先级和子优先级。如果有多个中断同时响应，抢占优先级高的就会抢占抢占优先级低的优先得到执行。如果抢占优先级相同，就比较子优先级。如果抢占优先级和子优先级都相同的话，就比较他们的硬件中断编号，编号越小，优先级越高。
GD32Fxxx系列、GD32E10x系列、GD32E50x系列、GD32H7xx系列、GD32A5x系列、GD32W51X系列和GD32VF103和GD32E10x系列可以设置抢占优先级和子优先级的等级，GD32E23x和GD32L23x系列没有抢占优先级和子优先级的说法，只可以设置优先级。
下面以GD32F10x举例说明如何设置优先级位数以及抢占优先级和子优先级的等级。在GD32f10x_misc.c文件中，nvic_priority_group_set函数用于设置多少位用于抢占优先级，多少位用于子优先级；nvic_irq_enable函数用于设置相应中断的抢占优先级和子优先级的等级。比如现在要设置SPI0的中断，其抢占优先级和子优先级的位数均为2，抢占优先级的等级为0，子优先级 的等级为1，那么代码如代码清单SPI0中断优先级设置所示。
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  1. nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);
    

  2. nvic_irq_enable(SPI0_IRQn,0,1);
有关这两个函数的原型以及函数参数的说明，请见代码清单nvic_priority_group_set函数原型、参数nvic_prigroup说明表、代码清单nvic_irq_enable函数原型、nvic_irq_enable()函数的参数说明表。
代码清单nvic_priority_group_set 函数原型
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  1. void nvic_priority_group_set(uint32_t nvic_prigroup)
    

  2. {
    

  3.  /* set the priority group value */
    

  4.  SCB->AIRCR = NVIC_AIRCR_VECTKEY_MASK | nvic_prigroup;
    

  5. }
参数 nvic_prigroup 说明表
32d24e2af9c068987ff2631a19810310.png
代码清单nvic_irq_enable 函数原型
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  1. void nvic_irq_enable(uint8_t nvic_irq, 
    

  2.  uint8_t nvic_irq_pre_priority, 
    

  3.  uint8_t nvic_irq_sub_priority)
    

  4. {
    

  5.  uint32_t temp_priority = 0x00U, temp_pre = 0x00U, temp_sub = 0x00U;
    

  6.  /* use the priority group value to get the temp_pre and the temp_sub */
    

  7.  switch ((SCB->AIRCR) & (uint32_t)0x700U) {
    

  8.  case NVIC_PRIGROUP_PRE0_SUB4:
    

  9.  temp_pre = 0U;
    

  10.  temp_sub = 0x4U;
    

  11.  break;
    

  12.  case NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3:
    

  13.  temp_pre = 1U;
    

  14.  temp_sub = 0x3U;
    

  15.  break;
    

  16.  case NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2:
    

  17.  temp_pre = 2U;
    

  18.  temp_sub = 0x2U;
    

  19.  break;
    

  20.  case NVIC_PRIGROUP_PRE3_SUB1:
    

  21.  temp_pre = 3U;
    

  22.  temp_sub = 0x1U;
    

  23.  break;
    

  24.  case NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0:
    

  25.  temp_pre = 4U;
    

  26.  temp_sub = 0x0U;
    

  27.  break;
    

  28.  default:
    

  29.  nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);
    

  30.  temp_pre = 2U;
    

  31.  temp_sub = 0x2U;
    

  32.  break;
    

  33.  }
    

  34.  /* get the temp_priority to fill the NVIC->IP register */
    

  35.  temp_priority = (uint32_t)nvic_irq_pre_priority << (0x4U - temp_pre);
    

  36.  temp_priority |= nvic_irq_sub_priority &(0x0FU >> (0x4U - temp_sub));
    

  37.  temp_priority = temp_priority << 0x04U;
    

  38. NVIC->IP[nvic_irq] = (uint8_t)temp_priority;
    

  39.  /* enable the selected IRQ */
    

  40.  NVIC->ISER[nvic_irq >> 0x05U] = (uint32_t)0x01U << (nvic_irq & (uint8_t)0x1FU);
    

  41. }
nvic_irq_enable()函数的参数说明表
a8118be21a9e889e996de1254e1507fd.png
参数nvic_irq是一个枚举变量，它定义了每一个中断的编号，具体定义在gd32f10x.h文件中，如代码清单中断号定义所示。
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  1. typedef enum IRQn
    

  2. {
    

  3.  /* Cortex-M3 processor exceptions numbers */
    

  4.  NonMaskableInt_IRQn = -14, /*!< 2 non maskable interrupt */
    

  5.  MemoryManagement_IRQn = -12, /*!< 4 Cortex-M3 memory management interrupt */
    

  6.  BusFault_IRQn = -11, /*!< 5 Cortex-M3 bus fault interrupt */
    

  7.  UsageFault_IRQn = -10, /*!< 6 Cortex-M3 usage fault interrupt */
    

  8.  SVCall_IRQn = -5, /*!< 11 Cortex-M3 SV call interrupt */
    

  9.  DebugMonitor_IRQn = -4, /*!< 12 Cortex-M3 debug monitor interrupt */
    

  10.  PendSV_IRQn = -2, /*!< 14 Cortex-M3 pend SV interrupt */
    

  11.  SysTick_IRQn = -1, /*!< 15 Cortex-M3 system tick interrupt */
    

  12.  /* interruput numbers */
    

  13.  WWDGT_IRQn = 0, /*!< window watchDog timer interrupt */
    

  14.  LVD_IRQn = 1, /*!< LVD through EXTI line detect interrupt */
    

  15.  TAMPER_IRQn = 2, /*!< tamper through EXTI line detect */
    

  16.  RTC_IRQn = 3, /*!< RTC through EXTI line interrupt */
    

  17.  FMC_IRQn = 4, /*!< FMC interrupt */
    

  18.  RCU_CTC_IRQn = 5, /*!< RCU and CTC interrupt */
    

  19.  EXTI0_IRQn = 6, /*!< EXTI line 0 interrupts */
    

  20.  EXTI1_IRQn = 7, /*!< EXTI line 1 interrupts */
    

  21.  EXTI2_IRQn = 8, /*!< EXTI line 2 interrupts */
    

  22.  EXTI3_IRQn = 9, /*!< EXTI line 3 interrupts */
    

  23.  EXTI4_IRQn = 10, /*!< EXTI line 4 interrupts */
    

  24.  DMA0_Channel0_IRQn = 11, /*!< DMA0 channel0 interrupt */
    

  25.  DMA0_Channel1_IRQn = 12, /*!< DMA0 channel1 interrupt */
    

  26.  DMA0_Channel2_IRQn = 13, /*!< DMA0 channel2 interrupt */
    

  27.  DMA0_Channel3_IRQn = 14, /*!< DMA0 channel3 interrupt */
    

  28.  DMA0_Channel4_IRQn = 15, /*!< DMA0 channel4 interrupt */
    

  29.  DMA0_Channel5_IRQn = 16, /*!< DMA0 channel5 interrupt */
    

  30.  DMA0_Channel6_IRQn = 17, /*!< DMA0 channel6 interrupt */
    

  31.  ADC0_1_IRQn = 18, /*!< ADC0 and ADC1 interrupt */
    

  32. #ifdef GD32F10X_MD
    

  33.  USBD_HP_CAN0_TX_IRQn = 19, /*!< CAN0 TX interrupts */
    

  34.  USBD_LP_CAN0_RX0_IRQn = 20, /*!< CAN0 RX0 interrupts */
    

  35.  CAN0_RX1_IRQn = 21, /*!< CAN0 RX1 interrupts */
    

  36.  CAN0_EWMC_IRQn = 22, /*!< CAN0 EWMC interrupts */
    

  37.  EXTI5_9_IRQn = 23, /*!< EXTI[9:5] interrupts */
    

  38. TIMER0_BRK_IRQn = 24, /*!< TIMER0 break interrupts */
    

  39.  TIMER0_UP_IRQn = 25, /*!< TIMER0 update interrupts */
    

  40.  TIMER0_TRG_CMT_IRQn = 26, /*!< TIMER0 trigger and commutation interrupts */
    

  41.  TIMER0_Channel_IRQn = 27, /*!< TIMER0 channel capture compare interrupts */
    

  42.  TIMER1_IRQn = 28, /*!< TIMER1 interrupt */
    

  43.  TIMER2_IRQn = 29, /*!< TIMER2 interrupt */
    

  44.  TIMER3_IRQn = 30, /*!< TIMER3 interrupts */
    

  45.  I2C0_EV_IRQn = 31, /*!< I2C0 event interrupt */
    

  46.  I2C0_ER_IRQn = 32, /*!< I2C0 error interrupt */
    

  47.  I2C1_EV_IRQn = 33, /*!< I2C1 event interrupt */
    

  48.  I2C1_ER_IRQn = 34, /*!< I2C1 error interrupt */
    

  49.  SPI0_IRQn = 35, /*!< SPI0 interrupt */
    

  50.  SPI1_IRQn = 36, /*!< SPI1 interrupt */
    

  51.  USART0_IRQn = 37, /*!< USART0 interrupt */
    

  52.  USART1_IRQn = 38, /*!< USART1 interrupt */
    

  53.  USART2_IRQn = 39, /*!< USART2 interrupt */
    

  54.  EXTI10_15_IRQn = 40, /*!< EXTI[15:10] interrupts */
    

  55.  RTC_Alarm_IRQn = 41, /*!< RTC alarm interrupt */
    

  56.  USBD_WKUP_IRQn = 42, /*!< USBD Wakeup interrupt */
    

  57.  EXMC_IRQn = 48, /*!< EXMC global interrupt */
    

  58. #endif /* GD32F10X_MD */
    

  59. } IRQn_Type;
3.2.中断服务函数的命名
上一小节介绍了如何设置中断的优先级，那么中断服务函数如何命名和使用呢？ 本小结将介绍这方面的内容。
下面以GD32F103C8T6产品为例，介绍如何命名中断服务函数名。GD32F103C8T6的flash容量为64KB，属于中密度产品，其对应的启动文件为startup_gd32f10x_md.s。在该启动文件中我们预先为每个中断都命名了一个中断服务函数，为的是初始化中断向量表。实际的中断服务函数里面的内容需要我们重新编写，中断服务函数我们统一写在gd32f10x_it.c文件里。
需要注意的是，中断服务函数的函数名必须和启动文件里面的一样，如果写错了，系统在中断向量表中就会找不到中断服务函数的入口，从而导致进不了中断。为了避免该错误，简单的处理方法是：打开startup_gd32f10x_md.s，找到需要的中断服务函数名，复制该函数名到gd32f10x_it.c文 件 中 即 可 。 以 SPI0 中 断 为 例 ， 打 开 startup_gd32f10x_md.s ， 找 到 SPI0_IRQHandler （SPI0_IRQHandler就是SPI0中断服务函数的名称），复制SPI0_IRQHandler到gd32f10x_it.c，修改其如代码清单SPI0中断服务函数所示即可。在该函数中就可以添加用户所需的中断服务 代码了。
复制
  1. void SPI0_IRQHandler(void)
    

  2. {
    

  3. }
3.3.中断向量偏移
当发生了异常并且要响应它时，Cortex-M 需要定位其处理例程的入口地址。这些入口地址存储在所谓的“异常向量表”中。默认情况下，Cortex-M认为该表位于零地址处，且各向量占用4 节，因此每个表项占用4 字节，如上电后的向量表所示。
4ecb7f7b32f9740fcc0cb3187b8d9cd6.png
因为地址0处应该存储引导代码，所以它通常是Flash或者是ROM器件，并且它们的值不得在运行时改变。然而，为了动态重分发中断，Cortex-M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，再把这个数字向上增大到是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，向上增大到2 的整次幂后值为64，因此地址地址必须能被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向量表偏移寄存器(VTOR)表所示。
76b05d6c9f9c63ba44a7d6c77b9534fc.png
在gd32f10x_misc.c文件中，nvic_vector_table_set函数就是用来定义中断向量偏移的，该函数的原型如代码清单 0-16 nvic_vector_table_set函数原型所示，函数参数说明如参数说明表所示。
代码清单nvic_vector_table_set 函数原型
复制
  1. void nvic_vector_table_set(uint32_t nvic_vict_tab, uint32_t offset)
    

  2. {
    

  3.  SCB->VTOR = nvic_vict_tab | (offset & NVIC_VECTTAB_OFFSET_MASK);
    

  4. }
参数说明表
c93a80142f43415a95c2af11d730fe91.png
下面举例说明如何使用该函数。
在实际使用中，用户会把FALSH分成BOOT区和APP区。BOOT区只用于代码升级，实际应用的程序在APP区里运行。假设客户把FLASH的第0页（大小为1KB）作为BOOT区，该页的地址范围为0x08000000~0x080003FF，第2页、第3页作为APP区，地址范围为0x08000800~0x08000FFF。执行完BOOT区的代码后，程序会跳转到0x08000800的地址开始执行APP程序。0x08000800相对于基地址0x08000000的偏移地址为0x800，此时调用nvic_vector_table_set函数的格式如代码清单调用nvic_vector_table_set函数所示。
复制
  1. nvic_vector_table_set(NVIC_VECTTAB_FLASH, 0x800);
3.4.NVIC 使用注意事项
E23x 系列使用的是 M23 内核，该内核的 NVIC 使用 2bit 定义优先级，并且不分抢占优先级和子优先级。在 gd32e23x_misc.c 文件中，nvic_irq_enable(uint8_t nvic_irq, uint8_t nvic_irq_priority)函数用于设置优先级，该函数的参数说明如图所示。
bfd1749387079c00695ae02bd9107ef2.png

教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原创发布，了解更多GD32 MCU教程，关注聚沃科技官网，GD32MCU技术交流群：859440462


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