飞思卡尔Kinetis芯片中NVIC模块的中断寄存器的介绍及其应用举例

NVIC模块的中断寄存器简介

嵌套式向量中断控制器（NVIC）是Cortex内核不可分割的一部分，它与CPU紧密结合，可对系统异常和外设中断进行控制。如图1所示，NVIC右端连接到各个外围模块，负责对外设中断进行处理；左端连接到内核，负责对内核系统异常进行处理。本文重点介绍NVIC对外围模块的中断控制。通常，在配置某个外围模块的中断功能时，除了需要设置此模块本身的寄存器中的中断使能位外，还需要配置NVIC模块中对应的中断控制寄存器，系统才会响应此外围模块的中断请求。



ARM Cotex-M4的NVIC模块中相关寄存器的地址、名称、功能描述如图2所示，它们可分为两种类型：非优先级中断寄存器（non-IPR register）和优先级中断寄存器（IPR register）。其中，非优先级中断寄存器有以下几种：

NVICISERx：中断使能设置寄存器；

NVICICERx：中断使能清除寄存器；

NVICISPRx：中断挂起设置寄存器；

NVICICPRx：中断挂起清除寄存器；

NVICIABRx；中断激活状态寄存器；

其中x为0 - 7，称为寄存器的组号，表示每种寄存器都有8个。这些寄存器都是32位的。因此，如果每一位控制一个中断源，则可以分别控制256个中断源。通常， NVICISERx（中断使能设置寄存器）用于去使能某个中断，而NVICICPRx（中断挂起清除寄存器）用于配合NVICISERx寄存器来使能这个中断；NVICIABRx（中断激活状态寄存器）为只读寄存器，用于判断某个中断是否处于激活的状态。


而优先级中断寄存器只有一种： NVICIPRx，用于设定每个中断源的优先级。从图3可以看到，每个中断源的优先级控制字要占用4位，再加上保留位，则每个32位的寄存器可以配置4个中断源的优先级。因此，如果要配置256个中断源的优先级，则需要256 ÷ 4 = 64个32位的寄存器。但是Kinetis系列MCU的中断源一般都没有这么多，也就不需要这么多的寄存器。



下面以K60为例进行具体说明。K60支持16级中断控制，所以在NVIC中，对应于不同的中断源，在优先级中断寄存器NVICIPRx中都有4个相应的位来控制其优先级，另外还有4位是保留位，如图3所示。

从图2可以看出，每种非优先级中断寄存器都是一个包含8个32位寄存器的寄存器组。那么在应用过程中，对应于K60的90多种不同的中断源，应该配置这些寄存器组中的哪一个寄存器（组号）和该32位寄存器的那一位（位号）呢？简单来说，就是组号和位号的确定。例如NVICICER2[21]，它的组号就是2，位号就是21。这就需要借助芯片厂商在CPU中为不同中断源定义的中断请求号IRQ。需要特别注意的是，中断向量号和中断请求号IRQ号不同，中断请求号IRQ = 中断向量号-16，因为有16个ARM内核中断请求是没有分配IRQ号的。在K60的Reference Manual 的P74页可以看到CPU中断向量分配表，定义了各种不同的中断源所对应的中断入口地址、中断向量号、中断请求号、寄存器号以及彼此之间的关系，如图4所示。


这里结合K60的中断向量分配表，以LPTMR（低功耗定时器）模块为例介绍一下NVIC寄存器的配置。LPTMR模块的中断向量分配如图4所示，可以看到LPTMR中断入口地址为0x0000_0194，中断向量号为101，中断请求号IRQ为85。那么如何确定配置LPTMR中断所对应的NVIC寄存器的组号和位号呢？即LPTMR使用NVIC寄存器组中的哪一个寄存器，以及该寄存器的哪个位呢？它们又和中断向量号 IRQ有什么关系呢，下面分非优先级中断寄存器和优先级中断寄存器分别介绍。

对于非优先级中断寄存器，如上面提到的NVICISERx、NVICICERx、NVICSPRx、NVICCPRx以及NVICABRx，组号的计算公式为IRQ / 32，所以可以得到LPTMR的NVIC非优先级中断寄存器的组号为85 / 32 = 2，从而得到LPTMR需要使用的非优先级中断寄存器为 NVICISER2、 NVICICER2、 NVICISPR2、NVICICPR2、NVICIABR2。这些寄存器都是32位的，所以对应于LPTMR的位号计算公式为IRQ % 32，得到85 % 32 = 21。确定完了组号和位号，便得到了需要设置的LPTMR的非优先级中断控制寄存器及相应的位为：NVICISER2[21]、 强调内容NVICICER2[21]、 NVICISPR2[21]、NVICICPR2[21]、NVICIABR2[21]。

对于优先级中断寄存器IPR，如上所述，因为每一个IPR寄存器可以设置4个中断源的优先级，所以组号计算公式为IRQ / 4 = 21。下面确定位号，前面讲到优先级控制需要4位，另外还有4位保留位，所以每个中断源需要8位，因此位起始号的计算公式为8 * (IRQ % 4) + 4，得到LPTMR的位起始号为8 * (85 % 4) + 4 = 12。确定完了组号和位号，便得到了LPTMR的优先级中断寄存器及相应的位为：NVICIPR21[15:12]。

通常，中断程序的处理流程为：关闭系统总中断、开启外设模块并使能该外设模块中断、配置NVIC模块中的中断寄存器、开总中断等几个过程。

第一步，关闭系统总中断。一般采用宏定义DisableInterrupts，其本质是在内部调用一句汇编代码“CPSID i”。同样，打开总中断一般采用EnableInterrupts，本质是在内部调用一句汇编代码“CPSIE i”。

第二步，开启外设模块并使能其中断。需要设置外设模块的寄存器中的中断使能位。对于LPTMR，需要置位控制状态寄存器LPTMRx_CSR的TIE位。 SIM_SCGC5|=SIM_SCGC5_LPTIMER_MASK; //开LPT模块时钟 LPTMR0_CSR|=LPTMR_CSR_TIE_MASK; //使能LPT定时器中断

第三步，配置NVIC模块的中断寄存器。需要设置NVIC中相关的中断控制寄存器，如上面提到的NVICISERx、NVICICERx、NVICSPRx、NVICCPRx、NVICABRx以及NVICIPRx。值得注意的是，使能一个外设的中断需要完成两个步骤，首先置位 NVICICPRx（中断挂起清除寄存器），然后再置位NVICISERx（中断使能设置寄存器）。其原因在于，在完成第二步开启并使能外设模块中断后，外设模块便可以被触发产生中断请求，这时如果置位NVICISERx（中断使能设置寄存器），程序便可以进入中断服务程序，而这并非程序编写者的本意。所以为避免出现这种情况，需要首先置位NVICICPRx（中断挂起清除寄存器），清除已经挂起的中断，然后再置位NVICISERx（中断使能设置寄存器），等待下一个中断的发生。