【STM32】NVIC嵌套向量中断控制器详解

什么是 NVIC？

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器） 适用于 Cortex-M0、M3、M4、M7 等 ARM 处理器，广泛用于 STM32、ESP32、GD32、NXP 等 MCU 中，它用于管理和控制中断，是 ARM Cortex-M 系列微控制器 的核心外设之一。NVIC 负责中断优先级管理、嵌套中断处理和中断向量跳转，使 Cortex-M 处理器能够高效地响应中断请求。

NVIC 主要功能

1. 支持多个中断源（STM32F103 系列最多支持 60 个）

2. 支持中断优先级管理（可配置 8~256 级优先级）

3. 支持中断嵌套（高优先级中断可打断低优先级中断）

4. 支持向量表偏移（Vector Table Offset Register, VTOR）

5. 支持低功耗中断唤醒（Wake-up Interrupt Controller, WIC）

6. 支持中断屏蔽、清除、挂起和使能

NVIC 与 Cortex-M 处理器紧密集成，能够 `直接与 CPU 交互`，实现高效的中断处理机制：

NVIC 负责中断管理，Cortex-M3/M4 使用 NVIC 进行中断分配，支持快速中断响应（低延迟），支持 Tail-Chaining（尾链接优化），减少中断切换开销。

???? NVIC 架构示意图：

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            |          Cortex-M 内核           |

            +-----------------------------------+

            |           NVIC 控制器           |

            |  - 中断向量表 (Vector Table)     |

            |  - 优先级寄存器 (IPR)            |

            |  - 使能寄存器 (ISER)             |

            |  - 清除寄存器 (ICER)             |

            |  - 挂起寄存器 (ISPR / ICPR)      |

            |  - 系统控制寄存器 (AIRCR)         |

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            |         外设（UART, GPIO, TIM）  |

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NVIC 寄存器

在 STM32F103 及其他 Cortex-M 系列 MCU 中，NVIC 主要通过以下寄存器进行控制：

NVIC 中断优先级管理

⭐ 1. 中断优先级划分

NVIC 采用 8 位优先级字段，在不同的 STM32 设备中，实际使用的优先级位数可能不同：

NVIC 采用 分组优先级（Group Priority）+ 子优先级（Sub Priority） 机制：

分组优先级（Preempt Priority）：决定中断是否可以抢占其他中断。

子优先级（Sub Priority）：当多个相同分组优先级的中断发生时，决定处理顺序。

???? 优先级编码格式（STM32F103，4-bit）：

| 4-bit 优先级字段 |  |

|-----------------|  

|  Preemption(4)  |  Sub(0)  |

数值越小，优先级越高（0 最高，255 最低）。

抢占优先级高的中断可以中断低优先级的中断。

⭐ 2. NVIC 优先级配置示例

使用 CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard） 提供的函数可以轻松配置 NVIC：

#include 'stm32f10x.h'

// 配置中断优先级

void NVIC_Configuration(void)

{

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;  // 选择 USART1 中断

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级 1（数值小，优先级高）

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;  // 子优先级 1

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  // 使能中断

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

// USART1_IRQn：定义要配置的中断源

// NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：设置抢占优先级

// NVIC_IRQChannelSubPriority：设置子优先级

// NVIC_IRQChannelCmd：使能该中断

示例二：Cortex-M 配置优先级：

void NVIC_SetPriority_Config(void) {

    NVIC_SetPriorityGrouping(2);  // 2 位抢占，2 位子优先级

    NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, NVIC_EncodePriority(2, 1, 1));

}

⭐ 3. NVIC 优先级分组

通过 SCB->AIRCR 配置 优先级分组：

示例：高优先级中断打断低优先级中断：

???? 在 NVIC 配置中

EXTI0_IRQn 抢占优先级 0

TIM2_IRQn 抢占优先级 2

➡ 当 TIM2 在运行时，EXTI0 可以抢占 TIM2。

void TIM2_IRQHandler(void) {

    // 低优先级中断（定时器中断）

    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {

        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);

    }

}

void EXTI0_IRQHandler(void) {

    // 高优先级中断（外部中断）

    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {

        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

    }

}

NVIC 低功耗管理

NVIC 具备低功耗模式下的中断唤醒功能：

睡眠模式（Sleep Mode）：等待中断（WFI）或事件（WFE）唤醒。

停止模式（Stop Mode）：只有特定外设（如 RTC、EXTI）可唤醒。

待机模式（Standby Mode）：最低功耗模式，仅通过外部中断（EXTI）或 RTC 唤醒。

示例代码（使用 WFI 指令进入低功耗模式）：

void Enter_SleepMode(void)

{

    __WFI();  // 等待中断唤醒

}

不过，在某些情况下，可以通过软件触发中断（不依赖外部事件）：

NVIC_SetPendingIRQ(EXTI0_IRQn);  // 触发 EXTI0 中断挂起

// 应用场景：

// 手动测试中断处理函数

// 在任务调度器中强制触发某个中断

NVIC 相关 API（CMSIS）

NVIC 是 ARM Cortex-M 系列的核心中断管理单元，支持多级中断嵌套、优先级分配和中断屏蔽，合理配置 NVIC 优先级，可以提高系统的实时性和响应速度，掌握 NVIC 操作 API（使能/禁用/挂起/清除）在嵌入式开发是十分重要的一环。它支持 60+ 中断源，最高 256 级优先级； 支持抢占式优先级调度，优化中断响应；支持低功耗模式唤醒，适用于电池供电设备；提供 CMSIS API，简化 NVIC 配置，可以利用 NVIC 提高 STM32 应用的实时性，优化中断的处理机制。