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I2C中断与TC3抢占优先级实战解析：如何避免实时系统“卡顿”？

你有没有遇到过这样的情况？
一个看似简单的传感器采集系统，I2C读取温湿度数据一切正常，但每隔几十毫秒就会出现一次明显的控制延迟——PID调节失稳、ADC采样周期抖动、甚至看门狗误触发。排查半天，最后发现罪魁祸首不是硬件故障，也不是代码逻辑错误，而是中断优先级配置不当。

在嵌入式开发中，我们常常把注意力放在功能实现上，却忽略了中断调度这个“隐形引擎”的设计。尤其当I2C通信中断和定时器周期中断（如TC3）共存时，若优先级关系处理不当，轻则引入时基漂移，重则导致系统失控。

今天我们就来深挖这个问题：I2C事件中断 vs TC3周期中断，谁该优先？为什么？怎么配？

一、两种中断的本质差异：周期性 vs 事件驱动

要合理分配优先级，首先要理解它们的“性格”。

TC3：时间系统的“节拍器”

TC3（通常指STM32中的TIM3）作为通用定时器，最典型的应用就是提供精确的周期性中断。比如每10ms执行一次控制算法、每50ms触发一次环境监测任务。

它的特点是：
- ✅固定节拍：中断频率由ARR和PSC决定，高度可预测；
- ✅低容忍度：错过一次中断，后续所有依赖该时基的任务都会错位；
- ✅硬实时要求：常用于闭环控制、RTOS滴答、ADC同步等关键路径。

想象一下，你的PID控制器本该每10ms运行一次，结果因为被别的中断拦住，变成了10.8ms才执行——这种“抖动”足以让电机嗡嗡作响。

I2C：外设交互的“对话者”

I2C则是典型的事件驱动型中断。它不像定时器那样准时敲钟，而是在以下时刻“举手发言”：
- 收到一个字节（RXNE）
- 可以发送下一个字节（TXE）
- 地址匹配成功（ADDR）
- 出现NACK或总线错误（BERR, ARLO）

它的行为特征是：
- ⚠️非周期性：何时发生取决于外部设备响应速度；
- ⚠️协议敏感：必须及时响应，否则可能丢帧或锁死总线；
- ⚠️上下文依赖强：需要维护状态机，不能随意被打断太久。

但注意：虽然I2C对响应有要求，但它不要求绝对准时。你可以稍微晚几个微秒进ISR，只要不超时即可。

二、NVIC优先级机制详解：抢占 vs 响应

ARM Cortex-M系列MCU通过NVIC管理中断优先级，采用两级分级机制：

举个形象的例子：

抢占优先级就像医院的“急诊等级”——心梗患者可以直接插队进手术室；
响应优先级则像是同一级别患者的挂号先后顺序——都是普通门诊，先来的先看。

因此，在配置时应遵循一个基本原则：

🔑时间关键任务 → 高抢占优先级
通信类任务 → 中低抢占 + 合理子优先级排序

三、真实案例剖析：一次错误配置引发的“定时漂移”

来看一个典型的工业传感节点设计：

// 错误配置示例 NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 2); // TC3 抢占=2 NVIC_SetPriority(I2C1_EV_IRQn, 1); // I2C事件 抢占=1 ← 问题在这里！ NVIC_SetPriority(I2C1_ER_IRQn, 1);

系统工作流程如下：
1. TC3每50ms触发一次主控任务；
2. 在TC3中断中启动I2C读取SHT35传感器；
3. I2C逐字节接收数据（8字节 @ 100kHz ≈ 800μs完成）；
4. 数据准备好后通知主循环上传UART。

问题来了：
由于I2C的抢占优先级（1）高于TC3（2），一旦I2C开始传输，TC3的下一次中断就会被屏蔽，直到整个I2C事务结束。

这意味着：
- 理论周期：50.0 ms
- 实际周期：50.8 ms（含I2C耗时）
- 连续执行5次后，累计偏差已达4ms

对于需要做趋势分析或上报时间戳的应用来说，这已经不可接受。

✅正确做法：
将TC3的抢占优先级设为更高：

NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 1); // 提高！ NVIC_SetPriority(I2C1_EV_IRQn, 2); // 降低！ NVIC_SetPriority(I2C1_ER_IRQn, 2);

这样即使I2C正在收发数据，TC3仍能强行打断并准时执行，保证系统时基稳定。

四、I2C内部优先级陷阱：别让错误中断“迟到”

还有一个容易忽视的问题：I2C事件中断与错误中断的优先级协调。

在STM32中，I2C通常有两个独立中断线：
-I2C1_EV_IRQn：事件中断（RXNE/TXE/ADDR）
-I2C1_ER_IRQn：错误中断（BERR/ARLO/AF）

假设两者抢占优先级相同，但未设置子优先级：

NVIC_SetPriority(I2C1_EV_IRQn, 2); NVIC_SetPriority(I2C1_ER_IRQn, 2); // 相同抢占，无子优先级

此时如果同时发生RXNE和BERR，NVIC按向量表顺序处理——通常是先EV后ER！

后果很严重：
总线已发生仲裁丢失（ARLO），但系统还在忙着处理刚收到的一个无效字节，迟迟不去清理错误标志，最终可能导致总线挂起或死循环。

✅解决方案：
给错误中断更高的响应优先级（即更低的子优先级数值）：

// 使用4位优先级分组（PPS=4:0） NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4); // 4位抢占，0位子优先级？不行！ // 更推荐：2位抢占 + 2位子优先级 NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2); // 配置： NVIC_SetPriority(I2C1_EV_IRQn, (2 << 2) | 1); // 抢占=2, 子=1 NVIC_SetPriority(I2C1_ER_IRQn, (2 << 2) | 0); // 抢占=2, 子=0 → 更快响应

这样当两个中断同时到来时，错误中断会优先得到服务，快速恢复总线状态。

五、性能对比一览表：一眼看清关键差异

六、最佳实践指南：写出更健壮的中断系统

1. 抢占优先级分层策略

Level 0: HardFault, NMI, SysTick（内核级） Level 1: TC3（控制时基）、DMA传输完成 Level 2: ADC注入完成、PWM更新 Level 3: I2C/SPI事件中断 Level 4: UART接收、按键扫描 Level 5: 软件定时器、LED闪烁

✅ TC3至少放在Level 1或2，确保控制系统心跳不乱。

2. I2C ISR优化技巧

不要在I2C中断里做复杂操作！记住三个原则：

• 快进快出：只做寄存器读写和状态切换；
• 用标志位通知主循环：数据收完后置i2c_done = 1；
• 善用DMA：STM32支持I2C_RX_DMA/TX_DMA，彻底解放CPU。

void I2C1_EV_IRQHandler(void) { if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE) { *rx_ptr++ = I2C1->DR; if (--bytes_left == 1) { I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK; // 最后一字节前关闭ACK } if (bytes_left == 0) { I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; i2c_transfer_done = 1; // 交给主循环处理 __disable_irq(); i2c_state = I2C_IDLE; __enable_irq(); } } }

3. 调试建议：用工具“看见”中断

光靠肉眼分析不够，要用工具验证：

• 逻辑分析仪：抓取TIM3_IRQHandler入口时间，观察周期稳定性；
• SEGGER SystemView：可视化展示各任务/中断执行轨迹，精准定位阻塞点；
• 示波器+GPIO打标：在ISR开头翻转IO，测量实际响应延迟。

七、结语：优先级不是随便填的数字

中断优先级从来不是一个“试试看能不能跑”的配置项。它是整个系统实时性的骨架。

当你在NVIC_SetPriority()里填写那一个个数字时，其实是在回答一个问题：

“如果两个任务同时呼救，我该先救哪一个？”

对于TC3和I2C而言，答案很明确：
🔔周期性任务 > 通信任务
🔔控制时基 > 数据搬运

只有把最关键的时间脉搏保护好，才能构建真正可靠的嵌入式系统。

如果你正在做一个涉及传感器采集+实时控制的项目，不妨现在就去检查一下你的中断优先级表——也许那个困扰你已久的“小抖动”，就藏在这几行配置之中。

💬 你在项目中遇到过哪些因中断优先级引发的“诡异bug”？欢迎在评论区分享经历，我们一起排坑！