中断嵌套优先级配置

中断嵌套与优先级配置是嵌入式系统实时响应的核心机制。

一、中断嵌套原理

1. 触发条件

  • 优先级规则：高优先级中断可抢占低优先级中断（数值越小优先级越高，如ARM Cortex-M）。
  • 状态允许：当前中断服务程序（ISR）中全局中断使能（如ARM的PRIMASK已清除）。

2. 执行流程

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低优先级ISR执行中...
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高优先级中断触发
↓
处理器自动保存当前上下文（压栈）
↓
跳转至高优先级ISR
↓
高优先级ISR执行完毕，恢复上下文
↓
返回低优先级ISR继续执行

二、优先级配置方法（以ARM Cortex-M4为例）

1. 优先级分组

  • 寄存器：SCB->AIRCR（应用程序中断及复位控制寄存器）

  • 分组模式：将8位优先级分为抢占优先级（Preemption）和子优先级（Subpriority）

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    // 示例：选择优先级分组2（2位抢占，2位子优先级）
    NVIC_SetPriorityGrouping(2);
    AIRCR分组值 抢占优先级位数 子优先级位数
    0 0 4
    3 3 1

2. 设置中断优先级

  • 函数：

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    NVIC_SetPriority(IRQn, priority)
    1
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    // 设置UART中断抢占优先级1，子优先级0 → 优先级值 = (1 << (4 - 抢占位数)) | 子优先级
    NVIC_SetPriority(UART0_IRQn, 0x10 | 0x0);  // 假设分组为2（抢占2位，子2位）

3. 关键代码示例

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void UART0_IRQHandler(void) {
    // 低优先级中断（抢占优先级2）
    // 处理UART数据...
}

void Timer1_IRQHandler(void) {
    // 高优先级中断（抢占优先级1）
    // 紧急任务处理...
}

int main() {
    NVIC_SetPriorityGrouping(2);  // 2位抢占，2位子优先级
    NVIC_SetPriority(UART0_IRQn, 0x20);  // 抢占优先级2（二进制10），子优先级0
    NVIC_SetPriority(Timer1_IRQn, 0x10);  // 抢占优先级1（二进制01），子优先级0
    NVIC_EnableIRQ(UART0_IRQn);
    NVIC_EnableIRQ(Timer1_IRQn);
    __enable_irq();  // 使能全局中断
    while(1);
}

三、中断嵌套深度与性能影响

1. 最大嵌套深度

  • 硬件限制：Cortex-M默认支持无限嵌套（受栈空间限制）。

  • 栈溢出风险：每次嵌套需保存上下文（如8个寄存器），深度嵌套可能导致栈溢出。

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    // 计算最大安全嵌套深度
    #define STACK_SIZE 1024  // 假设栈大小1KB
    #define CONTEXT_SIZE 32  // 每个中断保存32字节上下文
    int max_nesting = STACK_SIZE / CONTEXT_SIZE;  // 32层

2. 实时性优化

  • ISR短小化：高优先级ISR应少于10μs，避免阻塞低优先级任务。
  • 延迟处理：将耗时操作移至任务循环或低优先级中断。

四、实际应用案例（STM32F4）

1. 场景需求

  • 外部中断（按键）：低优先级，响应用户输入。
  • PWM捕获中断：高优先级，精确测量电机转速。

2. 配置步骤

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// 设置优先级分组为2位抢占，2位子优先级
NVIC_SetPriorityGrouping(2);

// 配置EXTI0中断（按键）抢占优先级3
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0x30);  // 二进制11 | 00

// 配置TIM1捕获中断抢占优先级1
NVIC_SetPriority(TIM1_CC_IRQn, 0x10);  // 二进制01 | 00

// 使能中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
NVIC_EnableIRQ(TIM1_CC_IRQn);

3. 行为验证

  • 按键中断触发：进入EXTI0_IRQHandler。

  • TIM1捕获中断触发：立即抢占，执行TIM1_CC_IRQHandler。

  • 嵌套时序图：

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    TIME    | EVENT
    --------------------------
    0ms     | EXTI0_IRQHandler开始
    0.5ms   | TIM1_CC中断触发，抢占
    1ms     | TIM1_CC_IRQHandler结束
    1.5ms   | EXTI0_IRQHandler恢复并结束

五、常见问题与调试

1. 中断不嵌套

  • 原因：未重新使能全局中断（如ARM中未清除PRIMASK）。
  • 解决：在低优先级ISR内调用__enable_irq()。

2. 优先级反转

  • 场景：低优先级ISR占用共享资源，阻塞高优先级ISR。
  • 方案：使用临界区保护或优先级继承（如FreeRTOS的互斥量）。

3. 性能分析工具

  • 逻辑分析仪：抓取中断触发时序。
  • RTOS Trace：记录中断执行时间和嵌套深度。

六、对比总结

架构 优先级位数 自动嵌套 典型应用
ARM Cortex-M 4-8位可配置 支持 实时控制系统
AVR (Arduino) 2级固定 不支持 简单嵌入式设备
x86 APIC多级 支持 桌面/服务器

正确配置中断优先级和嵌套可提升系统实时性，但需权衡响应速度与资源消耗。