4. 中断优先级分组：抢占优先级与子优先级的位域划分、分组规则配置

在 ARM Cortex-M 系列处理器（如 STM32、NXP LPC 等）中，中断优先级并非一个简单的 0~255 数值，而是通过 优先级分组寄存器（PRIGROUP） 将优先级寄存器中的位域划分为两个逻辑部分：抢占优先级（Preempt Priority） 和 子优先级（Subpriority）。这种分组机制直接决定了中断嵌套的行为和响应顺序，是驱动开发中必须精确配置的核心参数。

4.1 优先级寄存器的位域结构

Cortex-M3/M4/M7 使用 8 位优先级寄存器（实际使用的位数由芯片厂商决定，例如 STM32 仅使用高 4 位）。这 8 位（或实际有效位）通过 PRIGROUP 划分为两组：

• MSB 侧（高位）： 抢占优先级位域，决定中断的抢占能力。
• LSB 侧（低位）： 子优先级位域，决定同组抢占优先级下的仲裁顺序。

分组规则由 PRIGROUP 值 决定，该值占用 SCB->AIRCR 寄存器的 bits[10:8]。下表列出了标准的分组配置：

4.2 分组规则配置流程

配置中断优先级分组必须在系统启动早期、使能任何中断之前完成。一旦分组确定，整个系统的中断优先级含义即被锁定。配置步骤如下：

1. 读取当前 AIRCR 寄存器： 通过 __get_PRIGROUP() 或直接读取 SCB->AIRCR。
2. 清除 PRIGROUP 位域： 将 AIRCR 的 bits[10:8] 清零。
3. 写入新的分组值： 设置 PRIGROUP 为所需值（0~4），同时必须写入 VECTKEY 字段（0x5FA）以防止误写。
4. 验证配置： 回读 AIRCR 确认分组生效。

/* 标准库方式：设置分组为 Group 2（2位抢占 + 2位子优先级） */
#define NVIC_AIRCR_PRIGROUP_MASK     ((uint32_t)0x00000700)
#define NVIC_AIRCR_VECTKEY           ((uint32_t)0x05FA0000)

void NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)
{
    uint32_t reg_value;
    reg_value  = SCB->AIRCR;                                    /* 读取当前值 */
    reg_value &= ~(NVIC_AIRCR_VECTKEY | NVIC_AIRCR_PRIGROUP_MASK); /* 清除 VECTKEY 和分组位 */
    reg_value |=  NVIC_AIRCR_VECTKEY | (PriorityGroup << 8);    /* 写入 VECTKEY 和新分组 */
    SCB->AIRCR = reg_value;                                     /* 写入寄存器 */
}

/* 调用示例：配置为 Group 2 */
NVIC_SetPriorityGrouping(2);

4.3 位域划分与优先级数值计算

理解位域划分后，才能正确计算中断优先级数值。假设芯片使用 4 位优先级（实际有效位为 bits[7:4]），分组为 Group 2（2 位抢占 + 2 位子优先级）：

• 抢占优先级位域： bits[7:6]（2 位），取值范围 0~3。
• 子优先级位域： bits[5:4]（2 位），取值范围 0~3。
• 优先级寄存器值： (抢占优先级 << 2) | 子优先级。

例如，设置抢占优先级为 1、子优先级为 2，则优先级寄存器值为 (1 << 2) | 2 = 6。数值越小，优先级越高。

/* 手动计算优先级值 */
#define PRIORITY_GROUP_2_PREEMPT_BITS  2
#define PRIORITY_GROUP_2_SUB_BITS      2

uint8_t CalculatePriority(uint8_t preempt_prio, uint8_t sub_prio)
{
    /* 确保值在有效范围内 */
    if (preempt_prio >= (1 << PRIORITY_GROUP_2_PREEMPT_BITS)) return 0xFF;
    if (sub_prio >= (1 << PRIORITY_GROUP_2_SUB_BITS)) return 0xFF;

    /* 左移子优先级位数，然后合并 */
    return (preempt_prio << PRIORITY_GROUP_2_SUB_BITS) | sub_prio;
}

/* 使用 HAL 库直接设置 */
HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1, 2);  /* 抢占=1，子优先级=2 */

4.4 分组对中断嵌套行为的影响

分组规则直接决定了中断嵌套的深度和规则。以下 SVG 图展示了 Group 2 配置下，三个中断的嵌套与仲裁流程：

4.5 分组配置的工程决策

选择分组规则需要权衡嵌套深度与仲裁粒度。以下表格总结了不同场景下的推荐分组：

4.6 常见配置错误与调试方法

• 错误 1：分组配置后未验证。 写入 AIRCR 后立即回读，确认 PRIGROUP 位域与预期一致。
• 错误 2：中断优先级数值超出有效位范围。 例如在 4 位有效位系统中设置优先级为 0xF0，实际只取高 4 位，导致优先级意外降低。
• 错误 3：RTOS 中使用了非 Group 4 分组。 导致 PendSV 中断无法被正确抢占，系统调度异常。
• 错误 4：在 ISR 中修改分组。 分组修改后，当前正在执行的中断优先级含义立即改变，可能导致无限递归或死锁。

/* 调试方法：读取当前分组并打印 */
uint32_t GetCurrentPriorityGroup(void)
{
    uint32_t aircr = SCB->AIRCR;
    return ((aircr >> 8) & 0x07);
}

/* 在调试串口输出分组值 */
printf("Current PRIGROUP: %lu\n", GetCurrentPriorityGroup());