STM32异步响应核心：中断机制全解析，从原理到多中断实战

一、中断是什么？STM32 的 “紧急呼叫系统”

在嵌入式系统中，很多事件的发生具有 “随机性”—— 比如按键突然按下、传感器检测到异常信号、定时器计数完成，这些都需要 CPU 立即响应处理。如果 CPU 一直 “轮询” 检测这些事件（比如反复检查按键引脚电平），会严重浪费资源。而中断（Interrupt） 就是解决这一问题的 “紧急呼叫系统”：当外部事件触发时，CPU 会暂停当前正在执行的任务，转而去处理紧急事件（中断服务程序），处理完成后再回到原任务继续执行，实现 “异步响应”。

举个生活中的例子：你正在写报告（主任务），突然电话铃响了（中断触发），你暂停写报告去接电话（执行中断服务程序），挂掉电话后继续写报告（恢复主任务）。这里的 “电话铃” 就是中断信号，“接电话” 就是中断处理过程。

STM32F103 系列共支持60 个可屏蔽中断（不包含不可屏蔽的硬 fault 中断），涵盖定时器、串口、ADC、GPIO 等几乎所有外设，每个中断都对应一个 “中断通道”，通过中断控制器统一管理。

二、中断的核心硬件：NVIC 与 EXTI 的 “协作机制”

STM32 的中断响应依赖两大核心硬件：NVIC（嵌套向量中断控制器） 和EXTI（外部中断 / 事件控制器）。前者负责中断的优先级管理与调度，后者负责外部 GPIO 中断的信号检测与触发，二者协同实现中断的完整流程。

1. 核心硬件拆解

（1）NVIC：中断的 “调度中心”

NVIC 是 Cortex-M3 内核自带的组件，相当于中断的 “交通指挥官”，主要负责三件事：

• 中断使能 / 禁用：控制某个中断通道是否允许触发（比如允许 TIM2 中断，禁用 USART1 中断）。

• 优先级管理：当多个中断同时触发时，按优先级高低决定处理顺序（比如电机故障中断优先级高于 LED 闪烁中断）。

• 中断响应与返回：保存 CPU 当前运行状态（寄存器值），引导 CPU 执行中断服务程序，处理完成后恢复状态并返回主任务。

STM32 的中断优先级通过 “抢占优先级” 和 “响应优先级” 两级划分：

• 抢占优先级：高抢占优先级的中断可以打断正在执行的低抢占优先级中断（实现中断嵌套）。

• 响应优先级：抢占优先级相同时，响应优先级高的中断先被处理，但不能打断已执行的同级中断。

优先级的位数可通过 “优先级组” 配置（共 5 组），最常用的是 “组 2”：2 位抢占优先级（0-3 级，0 级最高）、2 位响应优先级（0-3 级，0 级最高）。

（2）EXTI：外部中断的 “信号探测器”

EXTI 负责处理 GPIO 引脚的外部中断信号，由 “中断线” 和 “触发方式” 两部分组成：

• 中断线：STM32F103 有 19 条中断线（EXTI0-EXTI18），其中 EXTI0-EXTI15 分别对应 GPIOA-GPIOG 的同名引脚（如 EXTI0 对应 PA0、PB0...PG0），EXTI16-EXTI18 对应内部外设信号（如 RTC 闹钟）。

• 触发方式：可配置为上升沿触发（如按键按下时电平从低变高）、下降沿触发（按键松开时电平从高变低）或双边沿触发（电平变化时均触发）。

EXTI 的核心特点是 “多引脚共享一条中断线”—— 比如 PA0、PB0 都连接到 EXTI0，触发时会进入同一个中断服务程序，需在程序中判断具体是哪个引脚触发的中断。

2. 中断响应的完整流程

STM32 的中断响应遵循严格的硬件时序，从信号触发到程序执行需经历 5 个步骤：

1. 中断触发：外设（如定时器计数完成）或 GPIO 引脚（如按键按下）产生中断请求信号。

1. EXTI 检测：若为外部中断，EXTI 检测到引脚电平变化，向 NVIC 发送中断请求。

1. NVIC 裁决：NVIC 检查该中断是否被使能，若使能则判断优先级，暂停当前低优先级任务。

1. 执行中断服务程序：CPU 根据中断向量表找到对应的服务程序入口，执行中断处理代码。

1. 中断返回：清除中断标志位，恢复 CPU 运行状态，返回主任务继续执行。

三、中断的典型类型：从外部到内部的应用场景

STM32 的中断按触发源可分为 “外部中断” 和 “内部外设中断” 两大类，新手需重点掌握以下 4 种典型类型：

1. 外部 GPIO 中断（最常用）

由 GPIO 引脚的电平变化触发，适用于 “随机发生的外部事件”：

• 适用场景：按键触发（如紧急停止按钮）、传感器电平唤醒（如红外人体感应）、外部设备状态反馈（如电机到位信号）。

• 关键特点：需配置 EXTI 中断线、触发方式，中断服务程序中需判断引脚并清除中断标志位。

2. 定时器中断（基础核心）

由定时器的更新事件、捕获事件等触发，适用于 “周期性或定时性事件”：

• 适用场景：精准定时（如 1 秒采集一次温度）、PWM 周期中断（如电机转速闭环控制）、输入捕获中断（如测量脉冲宽度）。

• 关键特点：无需外部信号，由硬件定时触发，中断频率可通过预分频器和 ARR 精确控制。

3. 串口中断（通信核心）

由串口接收 / 发送数据完成触发，适用于 “异步通信场景”：

• 适用场景：串口接收上位机指令（如手机 APP 发送控制命令）、串口数据发送完成（如向云端上传传感器数据）。

• 关键特点：避免 CPU 轮询检测串口缓冲区，数据到达后立即触发中断处理，提升通信效率。

4. ADC 中断（数据采集）

由 ADC 转换完成触发，适用于 “模拟信号采集场景”：

• 适用场景：温度、电压等模拟量的定时采集（如电池电压监测）、快速信号采样（如音频信号采集）。

• 关键特点：可与定时器配合实现 “定时采样 + 中断处理”，避免 CPU 等待 ADC 转换完成。

四、中断配置实操：CubeMX+HAL 库实战三大典型场景

以 STM32F103C8T6 为例，分别演示 “外部 GPIO 中断（按键）”“定时器中断（定时）”“串口接收中断” 的配置与代码实现，覆盖中断开发的核心要点。

1. 实战 1：外部 GPIO 中断（按键控制 LED 翻转）

（1）硬件连接

• PA0：接按键（一端接 PA0，一端接地，PA0 配置上拉输入）

• PA1：接 LED（串联 1kΩ 限流电阻，另一端接地）

（2）CubeMX 配置步骤

1. GPIO 配置：

• PA0：GPIO_Input，Pull-Up（上拉输入）。

• PA1：GPIO_Output，Push-Pull（推挽输出）。

1. EXTI 配置：

• 在 “Pinout & Configuration” 中找到 PA0，点击 “GPIO Settings”→“EXTI Line 0”，勾选 “Enable”。

• 配置触发方式：Falling edge trigger detection（下降沿触发，按键按下时电平从高变低）。

1. NVIC 配置：

• 在 “NVIC Settings” 中找到 “EXTI Line 0 interrupt”，勾选 “Enabled”，设置优先级（如抢占优先级 1，响应优先级 0）。

1. 生成代码。

（3）核心代码

// 中断服务程序（CubeMX自动生成，在stm32f1xx_it.c中）

void EXTI0_IRQHandler(void) {

HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0); // 调用HAL库中断处理函数

}

// 中断回调函数（在main.c中重写，处理具体逻辑）

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {

if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) { // 判断是PA0触发的中断

HAL_Delay(20); // 软件消抖

if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) { // 确认按键按下

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1); // 翻转PA1电平，LED亮灭切换

}

HAL_GPIO_EXTI_ClearITPendingBit(GPIO_PIN_0); // 清除中断标志位（HAL库会自动清除，此处可省略）

}

}

// main函数无需额外处理，中断自动响应

int main(void) {

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

while (1) {

// 主循环可执行其他任务，不受按键中断影响

}

}

2. 实战 2：定时器中断（1 秒定时翻转 LED）

（1）CubeMX 配置步骤

1. 定时器配置：选择 TIM2，Internal Clock（内部时钟），Prescaler=7199，Counter Period=9999（定时 1 秒）。

1. 中断配置：在 “NVIC Settings” 中勾选 “TIM2 global interrupt”，设置优先级（抢占优先级 1，响应优先级 1）。

1. GPIO 配置：PA1 设为推挽输出（控制 LED）。

1. 生成代码。

（2）核心代码

// 定时器初始化（CubeMX自动生成，在tim.c中）

TIM_HandleTypeDef htim2;

void MX_TIM2_Init(void) {

TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};

TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

htim2.Instance = TIM2;

htim2.Init.Prescaler = 7199;

htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

htim2.Init.Period = 9999;

htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

}

// 定时器中断服务程序（stm32f1xx_it.c中）

void TIM2_IRQHandler(void) {

HAL_TIM_IRQHandler(&htim2); // 调用HAL库中断处理函数

}

// 定时器中断回调函数（main.c中重写）

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {

if (htim->Instance == TIM2) { // 判断是TIM2中断

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1); // 翻转LED电平

}

}

// main函数启动定时器中断

int main(void) {

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_TIM2_Init();

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动TIM2定时中断

while (1) {

// 主循环可执行其他任务，定时中断后台运行

}

}

3. 实战 3：串口接收中断（接收上位机指令控制 LED）

（1）硬件连接

• PA9（USART1_TX）：接 USB 转 TTL 模块的 RX

• PA10（USART1_RX）：接 USB 转 TTL 模块的 TX

• PA1：接 LED

（2）CubeMX 配置步骤

1. 串口配置：选择 USART1，Mode=Asynchronous（异步模式），Baud Rate=9600（波特率），Word Length=8 Bits，Parity=None，Stop Bits=1。

1. 中断配置：在 “NVIC Settings” 中勾选 “USART1 global interrupt”，设置优先级（抢占优先级 2，响应优先级 0）。

1. GPIO 配置：PA1 设为推挽输出。

1. 生成代码。

（3）核心代码

// 串口初始化（CubeMX自动生成，在usart.c中）

UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void) {

huart1.Instance = USART1;

huart1.Init.BaudRate = 9600;

huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;

huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

}

// 串口接收缓冲区（存储接收的指令）

uint8_t uart_rx_data;

// 串口中断服务程序（stm32f1xx_it.c中）

void USART1_IRQHandler(void) {

HAL_UART_IRQHandler(&huart1); // 调用HAL库中断处理函数

}

// 串口接收完成回调函数（main.c中重写）

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {

if (huart->Instance == USART1) { // 判断是USART1接收中断

// 处理接收的指令：收到 '1' 点亮LED，收到 '0' 熄灭LED

if (uart_rx_data == '1') {

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);

} else if (uart_rx_data == '0') {

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);

}

// 重新启动中断接收（HAL库单次接收后需重新使能）

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &uart_rx_data, 1);

}

}

// main函数启动串口中断接收

int main(void) {

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_USART1_UART_Init();

// 启动串口1的中断接收（接收1个字节）

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &uart_rx_data, 1);

while (1) {

// 主循环可执行其他任务，串口接收中断后台处理

}

}

五、中断使用避坑指南：新手常犯的 7 个错误

忘记使能中断

中断配置分 “外设级使能” 和 “NVIC 级使能” 两步：比如定时器中断需先通过HAL_TIM_Base_Start_IT使能外设中断，再在 NVIC 中勾选使能。遗漏任何一步都会导致中断无法触发。

未清除中断标志位

中断触发后，硬件会置位中断标志位，若未清除（HAL 库会自动清除，但手动操作寄存器时需注意），会导致中断反复触发，CPU 陷入死循环。

中断服务程序执行时间过长

中断服务程序应 “短小精悍”，避免包含延时（如HAL_Delay）或复杂运算。若执行时间过长，会阻塞主任务和其他低优先级中断（如电机控制中断不能超过 1ms）。

优先级配置不当

高优先级中断未正确配置会导致关键任务无法及时响应（如紧急停止按钮中断优先级应最高）；同级中断未考虑响应优先级会导致事件处理顺序混乱。

外部中断未消抖

机械按键触发的外部中断若未做消抖处理（软件延时 20ms 或硬件 RC 电路），会导致一次按键被识别为多次中断，出现 LED 频繁翻转等异常。

串口中断接收未重启动

HAL 库的HAL_UART_Receive_IT是 “单次接收”，接收完成后需在回调函数中重新调用该函数，否则无法接收后续数据。

中断嵌套失控

过多