📚 课程目录第3章串口中断模式

3. 串口中断模式：NVIC中断控制器、USART中断使能、中断服务函数编写、中断模式性能分析

串口中断，说白了就是让CPU不用一直盯着数据线看。你发你的数据，我干我的活，数据到了它会主动通知我。这个机制要是用好了，CPU的利用率能翻好几倍。

我记得刚入行那会儿，有个项目要用串口收大量传感器数据。一开始我用轮询，结果CPU被卡得死死的，连LED闪烁都变得一卡一卡的。后来换成中断模式，整个世界都清净了。今天咱们就把中断这块彻底讲透。

3.1 NVIC中断控制器——中断的“总调度”

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）是Cortex-M内核内置的中断管家。它管三件事：哪个中断来了、该不该响应、响应完怎么回去。

咱们先看NVIC的核心寄存器，我整理了一张表，工作中经常用到：

寄存器	功能	我常用的操作
ISER（中断使能寄存器）	打开某个中断通道	NVIC_EnableIRQ()
ICER（中断清除寄存器）	关闭某个中断通道	NVIC_DisableIRQ()
IP（中断优先级寄存器）	设置抢占优先级和子优先级	NVIC_SetPriority()
ISPR（中断挂起寄存器）	软件触发中断（调试用）	NVIC_SetPendingIRQ()
ICPR（中断清除挂起）	清除挂起状态	NVIC_ClearPendingIRQ()

这里有个关键点：优先级分组。STM32用4位二进制表示优先级，你可以把这4位拆成“抢占优先级”和“子优先级”两部分。怎么拆？通过NVIC_PriorityGroupConfig()函数来配置。

我的经验：大多数场景下，用NVIC_PriorityGroup_2就够了——2位抢占、2位子优先级。这样能支持4级抢占嵌套，基本够用。如果系统里中断特别多，可以考虑Group_1（3位抢占、1位子优先级）。

3.2 USART中断使能——告诉串口“有事叫我”

NVIC那边准备好了，还得让USART本身也愿意发中断。USART的中断使能是通过USART_CR1、CR2、CR3这三个控制寄存器来配置的。

常用的中断源有这么几个：

RXNE（接收非空）：收到一个字节，数据寄存器有货了。这是最常用的。
TC（发送完成）：最后一个字节已经送出，移位寄存器空了。
TXE（发送寄存器空）：数据寄存器空了，可以塞下一个字节。
IDLE（总线空闲）：接收线上超过一个帧时间没数据了。这个在不定长数据包接收时特别好用。
PE（奇偶校验错误）：校验位不对。

配置代码其实很简单，我一般这么写：

// 使能USART1接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

// 使能USART1空闲中断（用于不定长接收）
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);

// 使能NVIC中的USART1中断通道
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

一个小技巧：使能中断的顺序有讲究。我习惯先配好USART的中断使能，最后再开NVIC。如果顺序反了，NVIC已经打开但USART还没配好，万一这时候来了个中断，程序可能跑飞。

3.3 中断服务函数编写——核心代码怎么写

中断服务函数（ISR）是中断模式的灵魂。写得好，系统稳如泰山；写得不好，各种诡异bug就来了。

先看一个最基础的接收中断处理：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t data;
    
    // 判断是不是接收中断
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        // 读取数据寄存器，同时自动清除RXNE标志
        data = USART_ReceiveData(USART1);
        
        // 把数据放进环形缓冲区
        if(ring_buf_write(&uart1_rx_buf, data) != 0)
        {
            // 缓冲区满了，记录溢出
            uart1_overflow = 1;
        }
    }
    
    // 判断是不是空闲中断
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET)
    {
        // 清除IDLE标志：先读SR，再读DR
        USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_IDLE);
        USART_ReceiveData(USART1);
        
        // 标记一帧数据接收完成
        uart1_frame_ready = 1;
    }
}

这里有几个坑，我曾经都踩过：

避坑指南1：IDLE中断的清除方式很特殊。你不能用USART_ClearITPendingBit()来清，得先读一下USART_SR寄存器，再读USART_DR寄存器。顺序不能错，否则清不掉。

避坑指南2：ISR里千万别做耗时操作。比如在中断里直接调用printf、做浮点运算、或者操作慢速外设。我见过有人把LCD刷新放在中断里，结果系统直接卡死。ISR的原则是：快进快出。

发送中断的处理稍微不同。一般流程是：先往DR里塞第一个字节，然后使能TXE中断。之后每次进入ISR，判断还有没有数据要发，有就继续塞，没有就关掉TXE中断。

void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 发送寄存器空中断
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET)
    {
        if(ring_buf_read(&uart1_tx_buf, &data) == 0)
        {
            // 还有数据，继续发
            USART_SendData(USART1, data);
        }
        else
        {
            // 数据发完了，关掉TXE中断
            USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);
        }
    }
}

3.4 中断模式性能分析——到底快了多少？

咱们用数据说话。我拿STM32F103 @72MHz做了个对比测试，波特率115200，收发各1000字节：

模式	CPU占用率	响应延迟	代码复杂度	适用场景
轮询模式	~85%	取决于轮询频率	低	简单测试、低速率
中断模式	~5%	~1.5μs	中	大多数应用场景
DMA模式	<1%	~0.5μs	高	大数据量、高速率

你看，中断模式把CPU占用率从85%降到了5%。这85%的空闲时间，你可以用来做数据处理、界面刷新、或者让CPU休眠省电。

不过中断模式也有代价：

中断延迟：从硬件触发中断到ISR第一条指令执行，大约需要12个CPU周期。如果系统里还有其他高优先级中断，这个延迟还会增加。
上下文切换开销：每次进出中断，CPU要压栈/出栈8-16个寄存器。虽然Cortex-M有硬件压栈，但也不是零成本的。
中断风暴：如果数据来得太快，中断频率太高，CPU可能一直在处理中断，主循环反而跑不动。

我的建议：对于115200波特率（约11.5KB/s），中断模式是最佳选择。如果波特率超过921600，或者需要收发大量连续数据，建议上DMA。如果只是偶尔收几个字节，中断模式完全够用。

下面这张图展示了中断模式下的数据流和时序关系：

从时间线可以看出，从T0到T3大约需要12-15个CPU周期。对于72MHz的主频，这个时间大约是0.17-0.21μs。再加上ISR本身的执行时间（通常几个微秒），整个中断处理过程在10μs以内就能完成。