STM32F103 中断教程

本文面向第一次接触 STM32 中断的新手，以 STM32F103 和 HAL 库为主线，解释中断为什么存在、CPU 如何响应中断、NVIC 与 EXTI 各自负责什么，以及怎样把一个 GPIO 边沿最终变成用户代码中的回调函数。

学完后，你应当能够独立完成一个按键外部中断，理解中断优先级和嵌套关系，并能按信号源、EXTI、NVIC、中断服务函数和回调函数的顺序排查故障。

1 中断是什么

CPU 正常情况下会从主程序的一条指令执行到下一条指令。中断发生时，CPU 暂停当前程序，保存必要的运行现场，转去执行与该事件对应的中断服务程序；处理完成后，CPU 恢复现场，并从原来被打断的位置继续运行。

下图可以把中断理解为“写作业时先去处理一件更紧急的事，处理完再回到断点继续写”。

几个常用术语如下：

• 中断源：提出请求的硬件，例如 GPIO、定时器、串口或 SysTick。
• 中断请求 IRQ：Interrupt Request，中断源向处理器发出的请求。
• 中断服务函数 ISR：Interrupt Service Routine，中断发生后 CPU 实际执行的函数。
• 断点：主程序被暂停的位置。ISR 结束后，CPU 从附近的下一条指令继续运行。
• 现场：被打断程序当时的寄存器和状态。Cortex-M3 会自动保存并恢复一部分核心现场。
• 中断向量：中断服务函数的入口地址。

1.1 中断与轮询的区别

轮询是主程序反复检查某个条件，中断则由硬件在事件发生时主动通知 CPU。

比较项	轮询	中断
检查方式	CPU 主动反复读取状态	硬件在事件出现时提出请求
程序结构	直观，适合简单低速任务	响应路径分散，需要理解中断链路
CPU 占用	即使没有事件也要检查	没有事件时不需要反复检查
响应速度	取决于轮询周期	通常能快速响应，但仍受优先级和关中断时间影响
适用场景	状态持续时间长、逻辑简单	短脉冲、异步通信、定时和故障处理

中断并不意味着“真正同时执行”。单核 Cortex-M3 在某一时刻仍只执行一条指令，只是通过快速切换提高响应能力。

1.2 SysTick 为什么能产生周期任务

SysTick 是 Cortex-M3 内核中的系统定时器。HAL 工程通常把它配置为每 1 ms 产生一次中断，并在中断处理中累加系统节拍。

如果某个计数器累计到 500，就可以触发 500 ms 周期任务；累计到 1000，则可以触发 1 s 周期任务。这里的关键不是把耗时任务全部放进 ISR，而是利用 1 ms 节拍更新时间或设置任务标志，再由主循环执行较长的工作。

2 STM32 中断系统的完整链路

STM32F103 的中断链路可以概括为：

中断源 → 外设状态/EXTI → NVIC → 中断向量表 → IRQHandler → HAL 处理函数 → 用户回调

以 PA0 的下降沿外部中断为例：

1. PA0 从高电平变成低电平。
2. AFIO 把 PA0 连接到 EXTI0。
3. EXTI0 检测到已启用的下降沿，置位挂起标志。
4. 如果 EXTI0 未被屏蔽，EXTI 向 NVIC 提出请求。
5. NVIC 根据使能状态和优先级决定何时让 CPU 响应。
6. CPU 从中断向量表取得 EXTI0_IRQHandler 的入口地址。
7. EXTI0_IRQHandler 调用 HAL 的通用处理函数。
8. HAL 清除挂起标志，再调用 HAL_GPIO_EXTI_Callback()。
9. 用户代码在回调中识别引脚并记录事件。

只要其中任意一环缺失，就可能出现“GPIO 电平变了，但程序不进入回调”。

3 中断向量表与中断服务函数

中断向量表是一段按固定顺序保存入口地址的内存区域。复位后，处理器从表中取得初始栈顶地址和复位入口；发生异常或中断时，处理器用对应编号找到处理函数。

启动文件通常为每个中断提供一个弱定义的默认处理函数。工程中的 stm32f1xx_it.c 再定义实际需要的 IRQHandler，从而覆盖弱定义。

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

中断服务函数的名字不能随意修改，它必须与启动文件向量表中的符号一致。对于 STM32F103 的 GPIO 外部中断：

• EXTI0 至 EXTI4 各自拥有独立的 IRQHandler。
• EXTI5 至 EXTI9 共用 EXTI9_5_IRQHandler。
• EXTI10 至 EXTI15 共用 EXTI15_10_IRQHandler。

共用 IRQHandler 时，HAL 会根据挂起位判断是哪一条 EXTI 线产生请求。用户回调仍应检查 GPIO_Pin，不要假设只有一个引脚会触发。

4 NVIC 负责使能 优先级和嵌套

NVIC 是 Nested Vectored Interrupt Controller，即嵌套向量中断控制器。它位于 Cortex-M3 内核中，负责管理中断是否使能、请求是否挂起、优先级如何比较以及高优先级中断是否可以抢占当前 ISR。

4.1 常见 NVIC 概念

• 使能：允许 NVIC 接收并响应某个中断请求。
• 挂起：中断请求已经出现，但 CPU 可能尚未处理。
• 活动：CPU 正在执行该中断的 ISR。
• 抢占优先级：数值更小的中断可以打断数值更大的中断。
• 子优先级：当多个相同抢占优先级的中断同时等待时，决定谁先执行；它不能造成相互抢占。
• 自然优先级：在可编程优先级仍相同的情况下，由异常编号决定先后。

STM32 的优先级数值越小，优先级越高。0 是最高的可编程优先级，而不是最低。

4.2 优先级分组

STM32F1 实际使用优先级字段的高 4 位。优先级分组决定这 4 位中有多少位属于抢占优先级、多少位属于子优先级。

HAL 工程通常在 HAL_Init() 中设置一次优先级分组。一个工程中不要在不同模块反复修改分组，否则已经配置的优先级含义会改变。

假设分组允许同时设置抢占优先级和子优先级：

• 中断 A：抢占 2，子优先级 1。
• 中断 B：抢占 3，子优先级 0。
• 中断 C：抢占 2，子优先级 0。

则 C 和 A 都能抢占 B；C 与 A 的抢占级相同，不能相互打断，但二者同时等待时 C 先执行。

4.3 HAL 中的 NVIC 配置

HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

第一行设置 EXTI0 的抢占优先级为 2、子优先级为 0；第二行使能该 IRQ。EXTI0_IRQn 是 CMSIS 头文件中定义的中断编号枚举，不是 GPIO 引脚编号。

常用函数还有：

HAL_NVIC_DisableIRQ(EXTI0_IRQn);       // 禁用 IRQ
HAL_NVIC_ClearPendingIRQ(EXTI0_IRQn);  // 清除 NVIC 挂起状态

清除 NVIC 挂起状态不等同于清除外设自己的中断标志。正确顺序由具体外设和 HAL 驱动决定。

5 EXTI 负责检测外部边沿

EXTI 是 External Interrupt/Event Controller，即外部中断和事件控制器。它检测输入线的上升沿或下降沿，并产生中断请求或硬件事件。

STM32F1 的 EXTI0 至 EXTI15 可用于 GPIO；另外的 EXTI 线连接 PVD、RTC 闹钟、USB 唤醒等内部信号。具体芯片支持哪些内部线，应以对应型号的参考手册和启动文件为准。

5.1 上升沿和下降沿

• 上升沿：信号从 0 变为 1。
• 下降沿：信号从 1 变为 0。
• 双边沿：两种变化都会触发。

如果按键使用内部上拉并在按下时接地，那么松开状态为 1，按下瞬间产生下降沿，通常应选择 GPIO_MODE_IT_FALLING。

5.2 中断和事件的区别

EXTI 可以产生中断，也可以产生事件：

• 中断经过 NVIC，CPU 会进入 ISR。
• 事件不要求 CPU 执行 ISR，可用于唤醒或触发片上硬件。

大多数 GPIO 按键示例使用的是中断路径。

5.3 EXTI 内部路径和寄存器

外部输入先经过边沿检测，随后分别进入中断路径和事件路径。与 GPIO 外部中断最相关的寄存器如下：

寄存器	作用
EXTI_IMR	中断屏蔽寄存器；置 1 允许请求进入中断路径
EXTI_EMR	事件屏蔽寄存器；置 1 允许产生事件
EXTI_RTSR	上升沿触发选择
EXTI_FTSR	下降沿触发选择
EXTI_SWIER	软件触发中断或事件
EXTI_PR	挂起寄存器；检测到边沿后置位，向对应位写 1 清除

EXTI_PR 的“写 1 清除”很容易被误解。它不是向该位写 0，而是向目标位写 1，请求硬件清除此挂起标志。

使用 HAL 时，HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler() 已经检查并清除 EXTI 挂起标志，IRQHandler 中不要在其后再次手动清除同一标志。

6 AFIO 决定哪个 GPIO 接入哪条 EXTI 线

STM32F103 有多个 GPIO 端口，但 GPIO 外部中断只有 EXTI0 至 EXTI15 共 16 条编号线。相同编号的引脚共享同一条 EXTI 线：

PA0、PB0、PC0 ... → EXTI0 中选择一个
PA1、PB1、PC1 ... → EXTI1 中选择一个
...
PA15、PB15、PC15 ... → EXTI15 中选择一个

因此，PA0 与 PB0 不能同时作为两个独立的 EXTI0 输入。AFIO 的 EXTICR1 至 EXTICR4 用于选择每条 EXTI 线来自哪个 GPIO 端口。

STM32F1 在配置 EXTI 端口映射前必须使能 AFIO 时钟。HAL 的 GPIO 初始化流程会完成常见映射，但手写寄存器时不能漏掉：

__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

7 使用 HAL 配置 GPIO 外部中断

完整配置包括 GPIO 时钟、输入模式、EXTI 路由与边沿、NVIC 优先级、IRQ 使能和服务函数。下面的流程图给出了这些步骤之间的关系。

以下示例面向 STM32F103C8T6 Blue Pill：板载 LED 位于 PC13，低电平点亮；外接按键连接 PA0 与 GND，使用内部上拉，按下产生下降沿。

7.1 GPIO 和 NVIC 初始化

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

先把 PC13 的输出锁存值设置为高，再切换为输出，可以避免初始化瞬间误亮。PA0 使用上拉后，未按下为高，按下接地为低。

7.2 IRQHandler 和 HAL 调用链

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

HAL 的处理函数会检查中断标志、清除挂起位，然后调用弱定义回调函数。用户在自己的代码中重新实现回调即可。

7.3 回调函数与非阻塞消抖

机械按键在闭合时会产生数毫秒的抖动，一次按下可能形成多个下降沿。不要在 ISR 中执行 HAL_Delay(20)；中断处理越长，其他中断被延迟的时间越长。

一种简单做法是用时间戳忽略过近的重复边沿：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    static uint32_t last_tick = 0;
    uint32_t now = HAL_GetTick();

    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0 && (now - last_tick) >= 20) {
        last_tick = now;
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

更稳健的工程写法是只在回调中记录 key_event = true 和时间，在主循环或周期任务中再次读取按键，确认电平稳定后再执行业务动作。

8 原文硬件案例与移植方法

原文版本 1 使用另一块 STM32F1 开发板：LED0 接 PB5，低电平点亮；KEY0 接 PE4，按下为低电平。

移植示例时不要直接照抄端口号，应先阅读目标板原理图，再替换以下四类信息：

1. LED 的端口、引脚和有效电平。
2. 按键的端口、引脚、上下拉和触发边沿。
3. 对应的 IRQ 编号与 IRQHandler 名称。
4. 是否与 SWD、晶振或其他片上外设复用。

例如，把原文的 PE4 按键移植到 PA0 后，中断线从 EXTI4 变为 EXTI0，IRQHandler 也必须从 EXTI4_IRQHandler 改为 EXTI0_IRQHandler。

9 中断程序的设计原则

9.1 ISR 要短

ISR 中适合执行的操作包括：读取状态、清标志、搬运少量数据、更新时间戳和设置标志。文件写入、复杂计算、阻塞等待和长时间打印应放到主循环或任务中。

9.2 共享变量要考虑并发

主循环和 ISR 共同访问的简单标志通常应声明为 volatile，避免编译器把读取结果长期保存在寄存器中：

static volatile bool key_event = false;

volatile 不能保证多步读改写具有原子性。对计数器、队列或复合状态，仍需考虑临界区、原子操作或操作系统同步机制。

9.3 先清楚中断来自哪里

一个共享 IRQHandler 可能对应多条中断线，一个外设也可能有多个中断标志。处理函数应检查真正的状态位，只清除已经处理的标志。

9.4 合理安排优先级

优先级不是越高越好。只有时限更严格、执行更短的中断才应获得更高抢占优先级。过多高优先级 ISR 会让低优先级任务长期得不到运行。

10 常见故障排查

10.1 完全不进入中断

按下面顺序检查：

1. 用万用表或示波器确认引脚上确实出现了预期边沿。
2. 确认 GPIO 端口时钟和 AFIO 时钟已使能。
3. 确认引脚模式、上下拉与触发边沿匹配外部电路。
4. 确认 AFIO 把正确端口映射到对应 EXTI 线。
5. 确认 HAL_NVIC_EnableIRQ() 使用了正确的 IRQn。
6. 确认 IRQHandler 名称与启动文件一致。
7. 在 IRQHandler 和回调函数中分别设置断点，定位链路中断的位置。

10.2 只进入一次

优先检查 EXTI 挂起标志是否正确清除。使用 HAL 时，IRQHandler 应调用 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()；不要绕过它后又忘记处理挂起位。

10.3 一次按键触发多次

这是机械抖动的典型现象。增加软件消抖或硬件 RC 滤波，不要误以为 EXTI 会自动消抖。

10.4 进入错误的回调分支

确认回调中比较的是引脚位掩码，例如 GPIO_PIN_0，而不是端口对象 GPIOA，也不是数字 0。

10.5 高优先级中断没有抢占

检查两个中断的抢占优先级，而不只是子优先级；同时确认当前代码没有长时间关闭全局中断或进入更高屏蔽级别。

11 学习检查

完成下面的问题，说明你已经掌握了基本中断链路：

1. 为什么使用上拉的按键通常选择下降沿触发？
2. PA0 和 PB0 为什么不能同时作为两个独立的 EXTI0 中断源？
3. HAL_NVIC_EnableIRQ() 与 GPIO_MODE_IT_FALLING 分别配置哪一层？
4. 为什么 EXTI_PR 要写 1 清除？
5. 为什么不建议在中断回调中使用长延时？
6. 抢占优先级相同、子优先级不同的两个中断能否相互打断？
7. 从 GPIO 边沿到用户回调，一共经过了哪些关键模块和函数？

参考资料

• 《STM32F10xxx 参考手册》中的中断、NVIC、AFIO 和 EXTI 章节。
• STM32F1 HAL 驱动中的 stm32f1xx_hal_gpio.c、stm32f1xx_hal_cortex.c。
• 工程启动文件中的中断向量表，以及 stm32f1xx_it.c 中的 IRQHandler。