【第14期】裸机中断优先级：抢占与嵌套的逻辑

核心概念：当多个中断同时发生，或者一个中断正在处理时又来了一个新中断，CPU 该听谁的？

在 ARM Cortex-M 内核中，管理这一切的大管家叫 NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)，中文直译为“嵌套向量中断控制器”。它的逻辑非常像医院的急诊室分诊台。

1. 法则：抢占 vs 响应

这是新手最容易晕的地方。STM32/Cortex-M 把优先级分成了两个维度：抢占优先级 (Preemption Priority) 和 响应优先级 (Sub Priority)。

我们要死死记住这两条法则：

• 法则一（抢占）：只有“抢占优先级”高的人，才能打断正在干活的人。

  • 比喻：医生正在给普通病人（抢占低）包扎，突然送来一个心脏停跳的病人（抢占高）。医生必须立马停下手中的活，先救心脏停跳的。这就叫中断嵌套。

• 法则二（响应）：如果“抢占优先级”相同，不管后面那个多急，都不能打断。

  • 比喻：医生正在抢救一个心脏停跳的（抢占高），这时候送来一个大出血的（抢占也高，且相等）。虽然大出血也很急，但既然已经在救心脏了，大出血的只能在门口排队，等医生救完心脏这个再进来。

  • 那“响应优先级”有啥用？ 它只决定排队的顺序。如果门口同时送来了两个病人，医生做完手头的事出门一看，谁的“响应优先级”高，就先救谁。

2. 这里的“高”其实是“低”

这是一个反直觉的设定：数字越小，优先级越高。

• 0 是最高优先级（皇上）。

• 15 是低优先级（平民）。

新手大坑：很多开发者忘记配置优先级，默认全是 0。这意味着所有中断都是最高级，且谁也打断不了谁（因为级别一样），完全退化成了单任务排队系统。

3. 优先级分组 (Priority Grouping)

CPU 里的优先级寄存器通常只有 4 个 bit (不同型号略有差异)。我们需要把这 4 个 bit 切分成两部分，一部分给“抢占”，一部分给“响应”。

这就是 NVIC_PriorityGroupConfig 的作用。常见的 5 种分组（以 STM32 为例）：

分组 (Group)	抢占位 (Preemption)	响应位 (Sub)	描述	适用场景
NVIC_PriorityGroup_0	0 bit (0级)	4 bit (16级)	无嵌套。所有中断按顺序排队。	简单逻辑，不想处理复杂的嵌套并发问题。
NVIC_PriorityGroup_1	1 bit (2级)	3 bit (8级)	只有 2 层嵌套关系。
NVIC_PriorityGroup_2	2 bit (4级)	2 bit (4级)	推荐平衡配置。4 层嵌套，同级内 4 个排队位。	大多数通用工程。
NVIC_PriorityGroup_3	3 bit (8级)	1 bit (2级)
NVIC_PriorityGroup_4	4 bit (16级)	0 bit (0级)	全抢占。只要级别高 1 级就能打断。	实时性要求极高的系统 (如电机控制)。

工程建议：在一个项目中，只在初始化时设定一次分组，千万不要在程序运行中途改来改去，否则整个中断逻辑会瞬间崩塌。

4. 真实场景推演

假设我们将系统配置为 Group 2（2位抢占，2位响应）。

• 中断 A：抢占 2，响应 0

• 中断 B：抢占 2，响应 1

• 中断 C：抢占 1，响应 0 (它是最急的，数字最小)

场景一：B 正在运行，A 来了。

• 结果：B 继续运行，A 等待。

• 原因：虽然 A 的响应优先级 (0) 比 B (1) 高，但通过法则二，他们的抢占优先级都是 2。平级不可打断。

场景二：B 正在运行，C 来了。

• 结果：B 暂停（压栈保护现场），C 立即执行。C 执行完后，B 恢复运行。

• 原因：C 的抢占优先级 (1) 小于 B (2)，也就是 C 级别更高。符合法则一，发生嵌套。

场景三：A 和 B 同时到来。

• 结果：CPU 先执行 A。

• 原因：抢占一样，这时看响应优先级。A (0) < B (1)，A 胜出。

5. 为什么要尽量避免复杂的嵌套？

初学者可能会觉得：“嵌套好啊，反应快！”

但老手都知道，中断嵌套是 Bug 的温床。

1. 堆栈溢出 (Stack Overflow)：每嵌套一层，就要多压一次栈（32字节以上）。如果嵌套层数太多，MSP 堆栈可能瞬间被打爆，导致程序跑飞。

2. 临界区竞争：如果低优先级中断正在改一个全局变量，高优先级中断插进来也改这个变量，数据就坏了。（这就是下一期的主题）。

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总结下关键点：

1. 抢占 (Preemption) 决定能不能打断别人。

2. 响应 (Sub) 决定能不能插队。

3. 数字越小，优先级越高。

4. 工程开始时选定一个优先级分组，然后别动它。