中断系统（NVIC 与 EXTI）

中断是嵌入式系统的灵魂。没有中断，CPU 只能不停地轮询检查事件是否发生，效率极低。有了中断，CPU 可以专心做别的事，当事件发生时硬件自动通知 CPU 去处理。

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一、什么是中断？

生活中的类比

想象你在写作业（主程序），突然手机响了（中断请求）：

1. 你放下笔，记住写到哪了（保存现场 / 压栈）
2. 接电话处理事情（执行中断服务函数）
3. 挂电话，继续写作业（恢复现场 / 出栈）

这就是中断的完整过程。

中断的基本流程

graph LR
    A[主程序运行] --> B{中断请求?}
    B -- 否 --> A
    B -- 是 --> C[保存现场 压栈]
    C --> D[执行中断服务函数 ISR]
    D --> E[恢复现场 出栈]
    E --> A

中断源分类

STM32 的中断源可以分为两大类：

分类	来源	示例
内核中断（异常）	Cortex-M3 内核	Reset、NMI、HardFault、SysTick
外部中断	片上外设	EXTI、TIM、USART、ADC、DMA、SPI、I2C

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二、NVIC（嵌套向量中断控制器）

NVIC 是什么？

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）是 Cortex-M 内核的一部分，负责管理所有中断：

• 决定哪个中断可以打断当前程序
• 决定多个中断同时发生时谁先执行
• 管理中断的使能和禁止

中断优先级

STM32 使用 4 位优先级（0~15），分为两个维度：

维度	说明	特点
抢占优先级（Preemption）	高抢占优先级可以打断低抢占优先级的中断	可以嵌套
子优先级（Sub-priority）	抢占优先级相同时，决定谁先响应	不能嵌套，只影响排队顺序

数值越小 = 优先级越高

优先级 0 比优先级 15 更高！这是初学者最容易搞混的地方。

优先级分组

4 位优先级如何分配给抢占和子优先级？通过 优先级分组 来决定：

分组	抢占优先级位数	子优先级位数	抢占级范围	子优先级范围
0	0 位	4 位	0	0~15
1	1 位	3 位	0~1	0~7
2	2 位	2 位	0~3	0~3
3	3 位	1 位	0~7	0~1
4	4 位	0 位	0~15	0

推荐使用分组 2

分组 2（2 位抢占 + 2 位子优先级）是最常用的配置，提供 4 级抢占和 4 级子优先级，够用且灵活。

中断响应规则

当多个中断同时发生时，按以下规则处理：

1. 抢占优先级不同 → 高抢占优先级先执行（可以打断低优先级的中断）
2. 抢占优先级相同，子优先级不同 → 子优先级高的先执行（但不能打断）
3. 两者都相同 → 按中断号（硬件编号）排序，编号小的先执行

举例

假设使用分组 2，有三个中断：

• 中断 A：抢占 = 1，子 = 0
• 中断 B：抢占 = 0，子 = 3
• 中断 C：抢占 = 1，子 = 2

响应顺序：B 优先（抢占最高=0），A 和 C 不能互相打断但 A 先响应（子优先级更高=0）。
若 A 正在执行，B 可以打断 A（抢占优先级更高），但 C 不能打断 A（抢占相同）。

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三、EXTI（外部中断/事件控制器）

EXTI 是什么？

EXTI（External Interrupt/Event Controller）用于检测 GPIO 引脚上的电平变化，触发中断或事件。

典型应用：按键按下检测、传感器信号触发、外部脉冲计数。

EXTI 与 GPIO 的映射关系

STM32 有 16 条 EXTI 线（EXTI0 ~ EXTI15），每条线对应一个引脚编号：

EXTI0  ← PA0 / PB0 / PC0 / PD0 ...（同一时刻只能选一个）
EXTI1  ← PA1 / PB1 / PC1 / PD1 ...
EXTI2  ← PA2 / PB2 / PC2 / PD2 ...
...
EXTI15 ← PA15 / PB15 / PC15 ...

重要限制

同一编号的引脚只能有一个连接到 EXTI。比如 PA0 和 PB0 不能同时使用外部中断，因为它们共用 EXTI0。

触发方式

触发方式	含义	使用场景
上升沿触发	电平从低变高时触发	按键释放、脉冲上升边
下降沿触发	电平从高变低时触发	按键按下（低电平有效）
双边沿触发	上升沿和下降沿都触发	编码器信号检测

EXTI 的中断服务函数

EXTI 线共用部分 IRQ（中断请求通道）：

EXTI 线	对应的 IRQ Handler	说明
EXTI0	EXTI0_IRQHandler	独占
EXTI1	EXTI1_IRQHandler	独占
EXTI2	EXTI2_IRQHandler	独占
EXTI3	EXTI3_IRQHandler	独占
EXTI4	EXTI4_IRQHandler	独占
EXTI5~9	EXTI9_5_IRQHandler	5 条共用，需在函数内判断是哪条
EXTI10~15	EXTI15_10_IRQHandler	6 条共用，需在函数内判断是哪条

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四、EXTI 编程实战（CubeMX + HAL）

外部中断检测按键

配置 PA0 的下降沿触发中断，按下按键翻转 PC13 LED：

CubeMX 配置步骤：

1. PC13 → GPIO_Output（LED，推挽输出）
2. PA0 → GPIO_EXTI0（外部中断模式）
3. PA0 的 GPIO 配置：
   • GPIO mode: External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection（下降沿触发）
   • GPIO Pull-up/Pull-down: Pull-up（上拉，默认高电平）
4. 在 NVIC 标签页中勾选 EXTI line0 interrupt 并设置优先级
5. 在 System Core → NVIC 中设置优先级分组为 2 bits for pre-emption
6. 生成代码

CubeMX 会自动生成初始化代码（gpio.c 和 NVIC 配置）。你只需要实现 回调函数：

/* 在 main.c 中（USER CODE 区域）编写回调函数 */

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0)  // 确认是 PA0 触发的
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 翻转 LED
    }
}
/* USER CODE END 4 */

HAL 中断处理流程

HAL 库的中断处理分为两层：

1. IRQ Handler（stm32f1xx_it.c 中，CubeMX 自动生成）：调用 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0)
2. HAL 内部处理：自动判断中断标志、清除标志位、调用回调函数
3. 回调函数（你来实现）：HAL_GPIO_EXTI_Callback()

你只需要写第 3 步，标志位的判断和清除 HAL 已经帮你处理了！

graph LR
    A[中断发生] --> B["EXTI0_IRQHandler()<br>(stm32f1xx_it.c)"]
    B --> C["HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()<br>(HAL 内部)"]
    C --> D[检查 & 清除中断标志]
    D --> E["HAL_GPIO_EXTI_Callback()<br>(你来实现)"]

CubeMX 生成的中断相关代码

stm32f1xx_it.c 中（自动生成，不需修改）：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);  // 自动生成
}

gpio.c 中的初始化（自动生成）：

void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    /* LED */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);  // 初始灭
    GPIO_InitStruct.Pin   = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    /* 按键 - 外部中断 */
    GPIO_InitStruct.Pin  = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;  // 下降沿触发中断
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;            // 上拉
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    /* NVIC */
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1, 1);  // 抢占1，子优先级1
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

不需要手动开启 AFIO 时钟

在 HAL 库中，HAL_GPIO_Init() 设置 EXTI 模式时会自动处理 AFIO 相关的配置，你不需要手动操作。

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五、中断编程三要素（HAL 版）

总结一下，使用 CubeMX + HAL 配置中断的流程：

graph LR
    A["1. CubeMX 配置外设<br>使能中断"] --> B["2. CubeMX 配置 NVIC<br>设置优先级"]
    B --> C["3. 实现回调函数<br>处理逻辑"]

要素一：CubeMX 配置外设并使能中断

在对应外设的配置页面中勾选中断使能：

外设	CubeMX 操作
EXTI	引脚设置为 GPIO_EXTIx 模式
TIM	Parameter Settings → 使能，NVIC 标签页勾选中断
USART	NVIC Settings 标签页中勾选中断
ADC	启用 DMA 或在 NVIC 中勾选中断

要素二：配置 NVIC 优先级

在 System Core → NVIC 中设置：

• 优先级分组（全局只设置一次）
• 各中断的抢占优先级和子优先级

CubeMX 生成的代码中会调用：

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2);     // 分组（main.c 中）
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1, 1);                 // 设置优先级
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);                          // 使能中断

要素三：实现回调函数

HAL 库为每种外设提供了对应的回调函数（__weak 弱定义），你只需要重写它：

外设	回调函数
EXTI	HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
TIM	HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
UART	HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
ADC	HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)

HAL 回调机制的优势

• 不需要手动判断和清除中断标志位（HAL 内部已处理）
• 回调函数名统一、规范，不容易写错
• 多个相同外设可以在回调函数中通过 handle 指针区分

回调函数中仍然要快进快出

虽然 HAL 简化了中断处理，但回调函数本质上还是在中断上下文中执行。应避免在回调中做耗时操作，推荐用标志位通知主循环处理。

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六、常见问题

中断回调函数写在哪个文件里？

推荐写在 main.c 的 /* USER CODE BEGIN 4 */ 区域，或者单独创建一个 callback.c 文件。不要写在 stm32f1xx_it.c 中（会被 CubeMX 覆盖）。

中断中可以调用 HAL_Delay 吗？

不可以。HAL_Delay() 依赖 SysTick 中断，如果你的中断优先级高于 SysTick（默认最低优先级 15），会导致 SysTick 无法更新计数器，HAL_Delay() 卡死。如需延时操作，应在中断中设置标志位，在主循环中处理。

中断 vs 轮询，怎么选？

• 中断：适合事件不频繁、实时性要求高的场景（按键、通信接收）
• 轮询：适合事件非常频繁、处理简单的场景（高速 ADC 连续采集）
• 一般原则：能用中断就用中断，CPU 效率更高