第36篇：中断基础与 NVIC —— 让硬件主动通知 CPU

上一篇我们发现了阻塞式接收的致命缺陷。这一篇开始搭建解决方案：先搞清楚 Cortex-M3 的中断机制是怎么工作的。

从轮询到中断：范式的转换

在按钮教程的最后一篇（第 30 篇）中，我们简单介绍过 EXTI 外部中断。那篇文章讲的是"引脚电平变化触发中断"的场景。现在我们需要把中断的理解提升一个层次——因为 UART 中断驱动接收比 EXTI 按钮检测复杂得多，涉及 ISR 和主循环之间的数据传递、缓冲区管理、回调链路等。

先回顾一下两种编程范式的本质区别。

轮询：CPU 主动检查外设状态。"有数据了吗？没有。有数据了吗？没有。有数据了吗？有了！"CPU 在忙等——虽然可以通过做其他事来填补等待时间（就像我们的按钮状态机那样），但检查本身需要 CPU 时间。

中断：外设在需要 CPU 关注时主动发信号。"我有数据了，请处理。"CPU 在收到信号之前可以专心做其他事。信号到来时，硬件自动暂停当前任务，跳转到预设的处理函数，处理完毕后返回。

打个比方。轮询就像你每隔 5 分钟去看一次邮箱——不管有没有信你都得跑一趟。中断就像邮递员按门铃——没信的时候你可以安心在家做别的事，信来了门铃会响。

Cortex-M3 的中断硬件

STM32F103 使用的是 ARM Cortex-M3 内核，它的中断系统由两部分组成：NVIC（嵌套向量中断控制器）和向量表。

NVIC

NVIC 是 Cortex-M3 内核内置的中断控制器，负责管理所有中断源的优先级、使能和挂起状态。STM32F103 有 60 个可屏蔽中断通道（加上 16 个 Cortex-M3 内核异常），每个通道都有独立的中断向量。

NVIC 的关键特性：

嵌套：高优先级中断可以打断低优先级中断。如果 USART1 中断正在处理中，一个更高优先级的中断（比如 SysTick）可以抢占它。处理完高优先级中断后，返回继续处理 USART1 中断。
向量：每个中断源都有自己的入口函数（中断服务函数，ISR）。中断触发时，硬件自动跳转到对应的 ISR，不需要软件判断"是哪个中断源触发的"。
自动上下文保存/恢复：中断触发时，CPU 自动把当前寄存器状态（r0-r3、r12、LR、PC、xPSR）压入栈。ISR 返回时自动弹出。你不需要手写保存/恢复寄存器的代码。

向量表

向量表是一个函数指针数组，存储在 Flash 的起始位置（默认地址 0x00000000）。每个中断源在表中占据一个固定位置——表中的第 N 个条目对应第 N 个中断源的 ISR 地址。当第 N 号中断触发时，CPU 从表中读取第 N 个条目的地址，然后跳转过去执行。

USART1 的中断号是 USART1_IRQn（值为 37）。向量表中第 37 个位置存储的就是 USART1_IRQHandler 函数的地址。这个函数名不是随意的——它必须和向量表中的位置严格对应。链接器根据函数名把它放到正确的位置。

USART1 中断的工作原理

现在我们把中断的通用机制具体到 USART1 的场景。

触发条件：RXNE 标志

上一篇讲过 SR 寄存器中的 RXNE（Read Data Register Not Empty）标志。当 USART1 的接收移位寄存器把一个完整的字节移入 RDR 时，RXNE 自动置 1。这就是中断的触发条件。

但 RXNE 置 1 不等于中断会触发。还需要两个条件同时满足：

RXNEIE = 1：CR1 寄存器中的 RXNE 中断使能位。这个位由软件设置，表示"当 RXNE 置 1 时请触发中断"。
NVIC 中 USART1 IRQ 使能：NVIC 中对应的 USART1_IRQn 中断通道必须被使能。这通过 HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn) 完成。

三个条件（RXNE 置 1 + RXNEIE 使能 + NVIC 使能）同时满足时，CPU 才会跳转到 USART1_IRQHandler。

HAL_UART_Receive_IT 做了什么

HAL 库提供了一个便捷的函数来设置中断接收：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);

这个函数内部做了三件事：

把 pData 指针和 Size 存到 huart 结构体中（HAL 内部会用它们来跟踪接收进度）
设置 RXNEIE 位（使能接收中断）
返回 HAL_OK

注意：这个函数不会阻塞。它只是"设置好了接收条件"，然后立即返回。实际的接收发生在中断触发后——当新字节到达时，ISR 自动被调用，ISR 内部的 HAL 代码把字节存到 pData 指向的缓冲区，递减剩余计数，当接收完 Size 个字节后调用 HAL_UART_RxCpltCallback() 回调。

单字节接收策略

我们的代码使用了一个关键的策略：每次只接收 1 个字节。

cpp

// 来源: code/stm32f1-tutorials/3_uart_logger/system/uart_irq.cpp
std::byte rx_byte{};

void restart_receive() {
    [[maybe_unused]] auto r =
        Manager::driver().receive_it(std::span<std::byte, 1>{&rx_byte, 1});
}

HAL_UART_Receive_IT(&huart, &rx_byte, 1) 意思是："请设置接收 1 个字节的中断。收到 1 个字节后告诉我。"

收到 1 个字节后，HAL 调用 HAL_UART_RxCpltCallback()。在回调中，我们把这 1 个字节存进环形缓冲区，然后立即调用 restart_receive() 再设置一次单字节接收。这样循环往复，就实现了连续的、不丢失字节的接收流：

text

restart_receive()
  → 等待字节...
  → 字节到达，ISR 触发
  → HAL_UART_IRQHandler()
  → HAL_UART_RxCpltCallback()
    → push(rx_byte) 到环形缓冲区
    → restart_receive()
      → 等待下一个字节...
      → （循环）

为什么不用"一次接收 N 个字节"？因为 UART 是字节流协议——你不知道发送方什么时候发完、发多少字节。如果设"一次接收 10 个字节"，那收到 3 个字节后对方停了，你的接收就卡在那了。单字节策略最灵活——每收到一个字节就处理一个，不会有任何"等待凑齐"的问题。

extern "C" ISR 桥接

我们的项目是一个 C++ 项目，但 ISR 函数名（如 USART1_IRQHandler）必须用 C 链接来定义。原因是向量表中存的是 C 符号名——链接器根据未修饰的函数名来填充向量表。如果 C++ 编译器对 USART1_IRQHandler 做了 name mangling，链接器就找不到正确的函数了。

所以 ISR 定义必须放在 extern "C" 块中：

cpp

// 来源: code/stm32f1-tutorials/3_uart_logger/system/uart_irq.cpp
extern "C" {

void USART1_IRQHandler(void) {
    HAL_UART_IRQHandler(Manager::handle());
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef* huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        rx_ring.push(rx_byte);
        restart_receive();
    }
}

} // extern "C"

extern "C" 保证了这两个函数在符号表中以原名出现，链接器能正确地把它们放入向量表。函数内部的代码依然是 C++——你可以调用 C++ 函数、使用 C++ 类型、访问 C++ 命名空间中的成员。extern "C" 只影响链接规则，不影响编译规则。

这种"C 链接 + C++ 实现"的模式在嵌入式 C++ 项目中非常常见。任何需要被 C 接口调用的函数（ISR、回调、系统调用如 _write()）都需要 extern "C" 包装。

NVIC 优先级配置

在我们的代码中，NVIC 配置封装在 enable_interrupt() 方法中：

cpp

// 来源: code/stm32f1-tutorials/3_uart_logger/device/uart/uart_driver.hpp
void enable_interrupt() {
    if constexpr (INSTANCE == UartInstance::Usart1) {
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
    }
    // ...
}

HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0) 的两个参数分别是抢占优先级和子优先级。设为 (0, 0) 表示最高优先级——USART1 中断可以打断任何其他中断（除了 NMI 等不可屏蔽异常）。

在简单的项目中（只有 USART 中断和 SysTick），优先级设最高没问题。在复杂的项目中，如果多个中断源竞争 CPU 时间，你需要仔细规划优先级。一般原则是：对实时性要求最高的中断优先级最高。UART 接收（不及时处理可能丢数据）通常比 LED 控制（晚几毫秒人眼也看不出来）优先级更高。

中断处理的黄金法则

在深入具体的 ISR 实现之前，先记住一条嵌入式开发的黄金法则：

ISR 必须尽可能短。

ISR 执行期间，同级和低级中断被屏蔽。如果你的 ISR 执行时间太长（比如在 ISR 里做复杂的计算、调用 printf()、等待超时），其他中断可能被延迟响应甚至丢失。对于 USART 接收来说，如果 ISR 处理上一个字节的时候下一个字节已经到了，而 RXNE 还没被清零，就会触发 ORE（Overrun Error）——上一个字节丢失了。

我们的 ISR 实现遵循了"短 ISR"原则：USART1_IRQHandler 委托给 HAL，HAL 清除中断标志、读取数据、调用回调，回调中只做两件事——把字节 push 到环形缓冲区（O(1) 操作），然后 restart 下一轮接收。整个流程在几个微秒内完成，远小于 115200 baud 下一个字节的传输时间（87 微秒）。

小结

这一篇搭建了中断驱动接收的理论基础：Cortex-M3 的 NVIC 和向量表机制、USART1 RXNE 中断的触发条件、HAL_UART_Receive_IT() 的工作方式、单字节接收策略、extern "C" 桥接模式，以及 ISR 必须尽可能短的原则。

但还有一块关键拼图没解决：ISR 收到字节后怎么传给主循环？直接用全局变量？用数组？下一篇我们要设计一个专门为 ISR-to-main 通信优化的数据结构——无锁环形缓冲区。

第36篇：中断基础与 NVIC —— 让硬件主动通知 CPU ​

从轮询到中断：范式的转换 ​

Cortex-M3 的中断硬件 ​

NVIC ​

向量表 ​

USART1 中断的工作原理 ​

触发条件：RXNE 标志 ​

HAL_UART_Receive_IT 做了什么 ​

单字节接收策略 ​

extern "C" ISR 桥接 ​

NVIC 优先级配置 ​

中断处理的黄金法则 ​

小结 ​