第十课时：中断优先级揭秘：抢占与嵌套的底层逻辑：

第十课时：中断的基本概念

本课主题：中断的基本概念，理论加实践。

一、中断的理论概念

先用一个生活里的比喻来理解中断。

左边是读书的时候来了电话：放下书去接电话，接完再回来接着读。右边换到单片机：常规程序执行中来了突发事件，也就是中断源，CPU 停下来去执行处理突发事件的代码，处理完再回到常规程序。

这大概就是小循环和大循环的区别。

左边是闪灯程序，while(1) 里点亮、延时、熄灭、延时。右边是串口接收程序，while(1) 里调用 HAL_UART_Receive，Size 填 1，表示每次接收一个字节，Timeout 填 0，表示无需等待，有数据就接收，没数据直接返回失败。

这样能不能实现不同的逻辑循环呢？把两段合起来看就知道了。

直接把串口接收塞进闪灯循环里，是不行的。因为 HAL_Delay 会把 CPU 占住，这段时间里根本轮不到串口。

串口在读取数据的时候会有两个缓冲区，一级缓冲和二级缓冲。每接收一个字节都要及时读走，如果拖到最后再读，缓冲区满了就会丢数据。

算一下时间就明白了。波特率 115200，一位约 10µs，一个字节连起始位、8 个数据位、停止位一共 10 位，传一个字节只要 0.1ms。而闪灯一个延时就是 200ms，这期间串口早就收满溢出了。

实际的情况是，传输数据时有两层缓冲区，每接收一个字节就要读一个字节，读不出来，缓冲区满了就丢数据。而串口什么时候收到数据是不知道的：如果在闪灯的过程中来了串口数据，阻塞式的程序会让 CPU 停在那一步，第一层缓冲区就会溢出，数据就丢了。

图上把闪灯和读取数据的时间轴画了出来，串口收到数据的那一刻，CPU 还在延时里，等它回来数据已经没了。

解决办法是，每次接收到数据时都调用中断响应函数来处理数据，这样就能避免数据丢失。单片机里几乎每一个串口都能用中断。图上就是闪灯程序照常跑，串口一来数据就插进来执行中断响应函数，里面读数据、处理数据，处理完再回去闪灯。

多个中断同时来的时候，它们会按优先级去竞争中断响应函数，下面就讲这个。

二、中断的实践过程

中断的本质，是让单片机停下来，去做一件更重要的事情。

图里画了两种情况：中断 1 正在执行时来了中断 2，左边是等中断 1 执行完再执行中断 2，右边是中断 2 直接打断中断 1。能不能打断，取决于优先级。

中断的优先级用中断优先级来表示。优先级只有 4 个 bit，bit3 到 bit0，从 0000b 到 1111b，也就是 0 到 15，一共 16 个中断优先级。

这 4 位还要再分：高两位 bit3、bit2 是抢占优先级，决定中断嵌套和中断排队；低两位 bit1、bit0 是子优先级，只决定中断排队。

分组的档位就是这样来的：抢占优先级占 0 个位是 1 级，占 1 位是 2 级，占 2 位是 4 级，占 3 位是 8 级，占 4 位是 16 级；剩下的位给子优先级，数量反过来。这就是为什么优先级级数和二进制的位数有关。

中断排队的原则是，优先级越高排队越靠前；优先级相同时，遵循先来后到的原则。

课上还用游戏打了比方：防守基地、集合打团、线上补兵，事情有轻重缓急，要先处理更重要的。

2.1 我的疑问：中断优先级到底怎么排

我的问题是：正点原子讲，抢占优先级越小越先执行、能打断其他中断，抢占优先级相同看子优先级，子优先级越小越先执行、没有打断能力，子优先级也相同就看中断向量表里的中断函数顺序，越靠前越先执行，这个说法对不对？优先级相同时遵循先来后到，对不对？优先级相同时 IRQ 编号较小的中断优先执行，对不对？

统合起来的规则是：先比抢占，再比子优先级，全都相同就不互相打断，同时排队时看编号。

补充一句，STM32F1 也就是 Cortex-M3，优先级只有 4 位有效，共 16 级；用 NVIC_PriorityGroupConfig() 把这 4 位分成抢占位和子优先级位，分组不同，两者占的位数不同，这就是优先级级数和二进制位数有关的原因。

2.2 中断嵌套

中断嵌套，就是按照中断任务的重要性，在中断的过程中还能不断地再中断。

图里用具体数值举例：抢占优先级 2 位，范围 0 到 3，子优先级 2 位，范围 0 到 3。像 (2,x) 正在执行时，(0/1,x) 可以打断它，而 (2/3,x) 就不行。

是否使用中断嵌套，主要看抢占优先级。

三、中断的 NVIC 模块

和从前的模块一样，NVIC 模块也需要设置一番。NVIC 就是管理中断的。

NVIC 的全称是 Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器：Nested 是嵌套，Vectored 是向量，Interrupt 是中断，Controller 是控制器。

所有模块都能产生中断。模块 1、模块 2 一直到模块 n，各自有线接到 NVIC，NVIC 里有优先级寄存器，再往后是仲裁电路。仲裁之后，按中断优先级胜出的函数就能得到调用，去执行硬件功能。NVIC 相当于中断的管理员。

中断来了，就打断主循环，去读消息、回消息，处理完再回来。

四个方块代表优先级，虚线代表中断优先级分组。这里就能设置中断优先级分组，以及抢占优先级、子优先级。

在 CubeMX 的 NVIC 配置页里，Priority Group 可以选分组，比如 2 bits for pre-emption priority 2 bits for subpriority，下面就是中断列表，每一条都能勾选使能，并填抢占优先级和子优先级。

管理之后通过仲裁电路，仲裁结束以后，按照中断优先级胜出的函数就能得到调用、执行硬件的功能。

FLASH 中存储了中断响应函数，以及一些其他的基本代码。单片机通过其中的中断向量表这个目录，来查询 FLASH 里带的不同函数。

复习速记

• 为什么要中断：串口数据什么时候来不知道，阻塞式等待会把缓冲区等满、丢数据；中断让 CPU 停下手头的事去处理。
• 中断的本质：让单片机先停下，做更重要的事，也就是小循环和大循环的区别。
• 优先级规则：先比抢占，小的是高、能打断；再比子优先级，小的是先、不能打断；全相同就不互相打断，同时排队时 IRQ 编号小的先跑。
• 不是先来后到：同优先级时看起来先来后到，只是因为跑着的那个不会被后来的打断；真正同时排队时看 IRQ 编号。
• STM32F1 的优先级只有 4 位，共 16 级；NVIC_PriorityGroupConfig() 把这 4 位分成抢占和子优先级。
• 中断嵌套看抢占优先级；NVIC 是中断管理员，FLASH 里存中断响应函数，靠中断向量表来查。