4、中断嵌套与抢占：可嵌套中断控制器（NVIC）、抢占优先级与子优先级

中断嵌套，说白了就是高优先级的中断能把低优先级的中断“踢开”，自己先执行。等它处理完了，再回来继续执行刚才被打断的那个。这个机制在实时系统里太重要了。我刚开始做嵌入式时，就吃过没处理好嵌套的亏——一个关键的中断被另一个不紧急的中断堵住了，整个系统响应直接崩掉。

ARM Cortex-M 系列内核里，负责管理这一切的硬件叫 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，可嵌套中断控制器）。它不光能处理中断嵌套，还支持中断向量化，也就是说每个中断源都有自己独立的入口地址，不用像老式单片机那样靠软件查询中断标志位。

4.1 NVIC 的核心能力

NVIC 到底能干什么？我列几个关键点：

• 支持最多 240 个中断源（具体数量看芯片型号，比如 STM32F103 只有 60 个）
• 每个中断可独立使能/除能，还能设置挂起和清除挂起
• 中断优先级可编程，支持 8~256 级（取决于实现）
• 自动硬件压栈和出栈，中断切换时 CPU 自动保存 R0-R3、R12、LR、PC、xPSR
• 咬尾中断（Tail-Chaining）：如果两个中断连续发生，省去多余的出栈/入栈
• 晚到中断（Late-Arriving）：更高优先级中断在压栈阶段到达，直接替换当前要处理的中断

嗯，这里要注意：NVIC 的嵌套是硬件自动完成的，不需要你写额外的代码。但优先级怎么分配，完全由你决定。

4.2 抢占优先级与子优先级

ARM Cortex-M 的优先级系统分两层：抢占优先级（Preempt Priority）和子优先级（Sub Priority）。这个设计我一开始也觉得绕，后来发现它其实很灵活。

抢占优先级决定一个中断能否打断另一个正在执行的中断。子优先级呢？当两个中断的抢占优先级相同时，子优先级高的先执行，但不会发生嵌套。

举个例子：

在这个配置下：

• 定时器 A 可以打断 UART、GPIO、DMA 的中断服务函数
• UART 和 GPIO 抢占优先级相同，所以它们之间不会互相打断
• 如果 UART 和 GPIO 同时挂起，UART 先执行（子优先级更高）
• DMA 优先级最低，谁都能打断它

我个人习惯把最紧急的中断（比如系统心跳、故障检测）放在抢占优先级 0，其他按实时性要求依次排开。

4.3 优先级分组：AIRCR 寄存器

抢占优先级和子优先级的位数分配，由 系统控制块（SCB） 中的 AIRCR（Application Interrupt and Reset Control Register）寄存器的 PRIGROUP 位段决定。Cortex-M3/M4 支持 8 种分组方式：

实际项目中，我建议用分组 3（4 位抢占 + 4 位子优先级），也就是 16 级抢占优先级，每级下面有 16 个子优先级。这个粒度对大多数应用都够用了。

设置代码很简单，以 STM32 为例：

// 设置优先级分组：4位抢占优先级，4位子优先级
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_3);

// 配置具体中断的优先级
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         // 子优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

4.4 中断嵌套的硬件行为

当一个高优先级中断发生时，CPU 正在执行低优先级中断的服务函数，硬件会怎么做？

1. CPU 检测到更高优先级中断请求
2. 当前指令执行完后，硬件自动压栈（保存现场）
3. 从向量表中取出高优先级中断的入口地址
4. 跳转执行高优先级中断服务函数
5. 高优先级中断执行完毕，执行出栈指令（恢复现场）
6. 继续执行刚才被打断的低优先级中断

整个过程是硬件自动完成的，不需要你手动保存寄存器。但要注意：中断服务函数要尽量短，否则嵌套层数多了，栈空间会急剧消耗。

4.5 中断嵌套的优先级逻辑图

下面这张图展示了中断嵌套的完整流程。你可以看到不同优先级的中断如何互相打断，以及硬件如何管理压栈和出栈。

4.6 避坑指南：我踩过的几个坑

中断嵌套看起来简单，实际项目中容易出问题。我分享几个亲身经历：

• 栈溢出：嵌套层数多了，每个中断都要压栈 8 个寄存器（32 字节），再加上局部变量。我曾经在一个项目中嵌套了 4 层，结果栈空间不够，程序跑飞。后来我把每个中断任务的栈深度都算了一遍，才解决。
• 优先级反转：低优先级中断占用了高优先级中断需要的资源，导致高优先级被阻塞。解决办法是让中断服务函数里不要调用可能被阻塞的 API。
• 忘记设置优先级分组：默认分组可能不是你想要的。比如 STM32 上电默认是分组 0（7 位抢占 + 1 位子优先级），如果你没改就直接配优先级，效果可能完全不对。
• 在中断里调用 printf：printf 通常不可重入，而且执行时间很长。在中断里调用它，轻则影响实时性，重则死锁。我一般用环形缓冲区 + 标志位的方式，把打印任务放到主循环里做。