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手把手教你写 ARM Cortex-M 中断服务例程：从原理到实战

你有没有遇到过这样的情况？系统明明配置好了定时器中断，可就是进不去 ISR；或者一进中断就跑飞，HardFault 爆炸满天星。又或者，在低功耗场景下，主循环忙等待耗电如喝水，却不知道怎么用中断唤醒……

别急，这些问题的背后，往往不是外设没配对，而是你还没真正搞懂 Cortex-M 的中断机制。

今天我们就来一次讲透——如何正确、高效、安全地编写一个 ARM Cortex-M 平台上的中断服务例程（ISR）。这不是一份简单的“代码模板”，而是一套完整的工程思维体系：从硬件行为到底层寄存器，从编译器特性到实际编码规范，带你一步步构建可信赖的中断处理逻辑。

为什么 Cortex-M 的中断这么特别？

在开始写代码前，我们必须先回答一个问题：Cortex-M 的中断到底强在哪？

相比传统 MCU（比如 8051），Cortex-M 架构最大的优势之一就是它的嵌套向量化中断控制器（NVIC）和完全由硬件管理的上下文切换机制。

举个例子：
假设你的系统正在处理 UART 接收中断，突然来了一个更高优先级的紧急信号（比如看门狗或故障保护）。在老架构上，你可能要等到当前 ISR 完成才能响应；但在 Cortex-M 上，高优先级中断可以立即抢占，延迟低至12 个时钟周期。

这背后靠的是什么？

• 自动保存 R0-R3, R12, LR, PC, xPSR：不需要你在 C 代码里手动压栈。
• 尾链优化（Tail-Chaining）：连续中断之间只需 6 个周期就能切换，避免重复压栈弹栈。
• 向量跳转直达 ISR：无需轮询哪个外设触发了中断，直接查表执行。

这些特性加起来，让 Cortex-M 成为实时性要求严苛场景的首选，比如电机控制、音频流处理、工业自动化等。

NVIC 是怎么调度中断的？别再只会调NVIC_EnableIRQ()了！

很多人写中断的时候，习惯性三连：

NVIC_SetPriority(...); NVIC_EnableIRQ(...);

但你知道这背后发生了什么吗？我们来拆开看看 NVIC 的真实工作机制。

NVIC 到底管些什么？

NVIC 是集成在内核里的中断控制器，地址映射在0xE000E100开始的一段内存区域。它不光负责使能中断，还管着：

• 优先级分组（Preemption Priority vs Subpriority）
• 中断挂起状态
• 活动状态查询
• 动态优先级调整

每个外部中断最多支持 240 个通道（具体看芯片厂商实现），每个通道都有独立的优先级设置寄存器（IPR0 ~ IPRxx），每 4 个中断占一个 32 位寄存器。

抢占优先级和子优先级的区别

这是新手最容易混淆的地方。

举个例子：
- ISR_A：抢占=2，子=1
- ISR_B：抢占=2，子=0
→ A 不能打断 B，因为抢占相同，但子优先级更低 → B 先执行。

但如果 ISR_C 抢占=1，那它就可以打断 A 和 B。

所以，关键任务一定要给高的抢占优先级！

如何正确设置优先级？

很多开发者直接写数字：

NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 2); // 错！没考虑分组！

这是危险操作！因为你不知道当前系统的优先级分组模式。

正确的做法是使用 CMSIS 提供的标准 API：

// 设置分组（通常在初始化阶段调用一次） NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4); // 4bit 抢占，0bit 子 // 编码优先级 uint32_t priority = NVIC_EncodePriority(NVIC_GetPriorityGrouping(), 2, 1); NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, priority); NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

这样做的好处是：跨平台兼容性强，无论你是 STM32、NXP 还是 Nordic 芯片，只要遵循 CMSIS 标准，代码都能跑。

向量表不只是启动文件里的数组

当你打开任何一个 Cortex-M 的启动文件（startup_stm32f4xx.s），都会看到这样一个符号：

Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack DCD Reset_Handler DCD NMI_Handler DCD HardFault_Handler ...

这个就是中断向量表，它是整个中断机制的“电话簿”——CPU 凭异常号查表找入口地址。

默认情况下，向量表位于 Flash 起始地址0x0000_0000。但你知道吗？你可以把它搬到 SRAM 里！

为什么要重定位向量表？

常见应用场景包括：

• Bootloader 跳转到 App 时，需要切换中断处理逻辑；
• 实现固件空中升级（OTA）；
• 多任务环境中不同上下文使用不同的中断处理函数；
• 动态替换某个 ISR 用于调试或热更新。

怎么搬？真的只是 memcpy 就完事了吗？

来看一段典型实现：

#define VECTOR_TABLE_SIZE (16 + 80) // 16个系统异常 + 80个外部中断 extern uint32_t g_pfnVectors[]; // 启动文件中定义的原始向量表 void relocate_vector_table_to_sram(void) { memcpy((void*)0x20000000, g_pfnVectors, VECTOR_TABLE_SIZE * 4); SCB->VTOR = 0x20000000; // 更新向量表偏移寄存器 __DSB(); // 数据同步屏障 __ISB(); // 指令同步屏障 }

注意最后两个内存屏障指令：

• __DSB()：确保所有数据访问已完成；
• __ISB()：清空取指流水线，防止 CPU 从旧位置取指令。

少了它们，可能导致跳转失败或不可预测行为。

另外，SRAM 中的向量表必须按512 字节对齐（如果芯片支持重定位功能的话），否则 VTOR 写入会失败。

ISR 到底该怎么写？别让“好心”变成“坑”

现在终于到了最核心的部分：怎么写一个合格的 ISR？

你以为 ISR 就是个普通函数？错。它运行在特殊的异常上下文中，稍有不慎就会引发灾难性后果。

常见误区与“坑点”

黄金法则：快进快出，推后处理

最佳实践是：ISR 只做标记，主循环来做事。

来看一个经典 ADC 示例：

volatile uint32_t adc_result = 0; volatile uint8_t adc_ready_flag = 0; void ADC_IRQHandler(void) { if (ADC1->SR & ADC_SR_EOC) { adc_result = ADC1->DR; // 读数据自动清标志 adc_ready_flag = 1; // 置位标志 } } int main(void) { system_init(); adc_init(); while (1) { if (adc_ready_flag) { process_adc_data(adc_result); adc_ready_flag = 0; } __WFI(); // Wait for Interrupt，进入睡眠省电 } }

这里有几个关键点：

1. volatile关键字必不可少 —— 告诉编译器：“这个变量可能被意外修改，请不要优化掉读写！”
2. 清标志操作要准确 —— 对于 ADC，读 DR 寄存器即可清除 EOC；
3. 主循环可用__WFI进入低功耗模式，仅靠中断唤醒，大幅节能。

这就是典型的事件驱动架构：CPU 绝大部分时间在睡觉，只在事件发生时醒来干活。

共享资源访问怎么办？别随便关中断！

多个 ISR 或 ISR 与主程序共用一个全局变量时，很容易出现竞态条件。

比如：

uint32_t sensor_value; // ISR 中更新 void TIM2_IRQHandler() { sensor_value = read_sensor(); } // 主循环中使用 while (1) { send_value_over_uart(sensor_value); }

如果在send_value_over_uart执行中途被 TIM2 中断打断并修改了sensor_value，会发生什么？数据前后不一致！

解决方案有三种：

方法一：临时关闭中断（简单粗暴）

__disable_irq(); temp = sensor_value; __enable_irq(); use_value(temp);

优点：简单有效。
缺点：影响实时性，尤其关总中断时间过长会导致错过其他中断。

建议只用于极短临界区。

方法二：使用原子操作（推荐用于单变量）

ARM Cortex-M 支持 LDREX/STREX 指令实现原子访问：

uint32_t atomic_load(volatile uint32_t *addr) { return __LDREXW(addr); } void atomic_store(volatile uint32_t *addr, uint32_t val) { while (__STREXW(val, addr)); }

适用于计数器、状态机等场景。

方法三：RTOS 互斥量（复杂共享资源）

如果你用了 FreeRTOS 或 RT-Thread，可以用 Mutex：

xSemaphoreTake(mutex, 0); // 非阻塞获取 // 操作共享数据 xSemaphoreGive(mutex);

注意：绝对不能在 ISR 中调用阻塞型 API！但可以使用FromISR版本，如xQueueSendToBackFromISR()。

栈够吗？别让中断嵌套把你压垮

你有没有算过你的堆栈最大深度是多少？

假设：

• 主程序用了 512B
• 最深一层 ISR 调了几个函数，用了 256B
• 最坏情况发生 4 层中断嵌套 → 4 × 256 = 1024B

总共就需要至少512 + 1024 = 1536B的栈空间。

如果你只分配了 1KB 的主栈（MSP），那就等着 HardFault 吧。

怎么评估？

1. 查链接脚本中的Stack_Size
2. 使用调试器查看 MSP 当前值与栈顶距离
3. 在极端负载下测试，观察是否有栈溢出

还可以开启MPU（内存保护单元），将栈区域设为不可越界访问，一旦溢出立刻触发 MemManage Fault，便于定位问题。

高级技巧：什么时候该用 PendSV？

前面提到，Cortex-M 有两种“软中断”：SVC 和 PendSV。

• SVC：用于系统调用，比如从用户态切到特权态；
• PendSV：专为 RTOS 设计，实现任务切换。

为什么不用普通中断来做任务调度？因为你想切换任务时，可能正处在另一个中断处理中。此时不能直接 Pend 中断，否则会破坏上下文。

PendSV 的妙处在于：它可以被推迟到所有其他中断结束后再执行。

FreeRTOS 就是这么干的：

void SysTick_Handler(void) { xTaskIncrementTick(); vPortYieldFromISR(); // 触发 PendSV } void PendSV_Handler(void) { // 保存旧任务上下文，恢复新任务上下文 context_switch(); }

这样一来，任务切换总是在“最安全”的时刻进行，不会干扰关键中断。

写在最后：ISR 不是终点，而是起点

今天我们聊了很多：

• NVIC 的优先级机制
• 向量表重定位
• ISR 编码规范
• 共享数据保护
• 栈空间规划
• PendSV 的巧妙用途

但请记住：ISR 的价值不在于“进了没”，而在于“怎么退出”之后系统如何反应。

在未来越来越复杂的嵌入式场景中——比如 AIoT 边缘推理、多传感器融合、实时语音处理——中断不再只是“通知一下”，而是整个系统事件流的源头。

也许有一天，一个来自麦克风的 DMA 完成中断，会触发一次本地神经网络推理；而推理结果又通过另一个中断上报给应用层，决定是否唤醒云端连接。

那时你会发现，每一个 ISR，都是智能决策的第一步。

所以，下次你再写void EXTI0_IRQHandler(void)的时候，不妨多想一步：

“我这个中断，到底是在解决一个问题，还是在开启一个新的可能？”

欢迎在评论区分享你的 ISR 实战经验，我们一起打磨这套“嵌入式世界的底层语言”。