【STM32】中断软件分支处理（ NVIC 和 GIC）

中断软件分支处理：NVIC 和 GIC 是嵌入式系统和操作系统内核中非常关键的内容，尤其在 Cortex-M 和 Cortex-A 架构中有很大差别。本篇博客将分别介绍二者之间的关系。这部分内容涉及ARM 架构中断系统的底层机制，也是理解嵌入式系统、操作系统内核、驱动开发的关键知识。所以在我们接下来的文章向下一个阶段推进之前，我必须以系统化的方式向您详细介绍这二者的本质、区别与联系。

一、什么是中断软件分支处理？

中断软件分支（Software Interrupt Vectoring）的定义：

CPU 收到中断信号后，不通过硬件自动跳转，而是通过软件跳转到对应中断服务函数的机制。

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详细点说：
中断发生后，CPU 不直接跳转到某个固定地址处理函数，而是进入统一入口，由软件读取中断号，再“查表跳转”到具体中断服务函数（ISR） 的机制。

一些前置概念先导：

中断					CPU 在执行程序时，被外部或内部事件打断，转去执行专门处理函数的机制
中断控制器（IC）		硬件模块，管理多个中断源，决定中断优先级、分发给哪个 CPU
中断向量表			存储中断处理函数地址的表，CPU 通过它跳转到对应中断处理逻辑
软件分支处理			CPU 进入统一异常入口后，由软件识别中断号并跳转到对应处理函数

中断软件分支详细示意流程：

graph TD
  A[外设产生中断] --> B[NVIC or GIC]

  B --> |Cortex-M| C[NVIC 处理]
  C --> D[CPU 跳转向量表]
  D --> E[ISR 执行]

  B --> |Cortex-A| F[GIC 分发]
  F --> G[CPU 进入统一入口]
  G --> H[读取中断号]
  H --> I[软件查表跳转 ISR]

这种方式便于用户空间自定义中断行为，常用于高级操作系统如 Linux。

中断处理有两种方式：

中断控制器（IC）：中断控制器是 CPU 的“中断信号调度中心”。它决定了：哪个中断优先响应？哪个 CPU 核来处理？中断号是多少？而这时候便出现了两大主流：1、NVIC（Cortex-M 内建）；2、GIC（Cortex-A 外设）。

• ✅ 硬件向量分支（如 Cortex-M）
  • CPU 自动从 中断号 × 4 + 向量基地址 中读取跳转地址
  • 由硬件完成中断分发和跳转
  • 使用 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）
• ✅ 软件分支派发（如 Cortex-A）
  • 所有中断统一进入一个入口地址（如 __irq_svc）
  • 由软件读取中断号（从中断控制器），通过查表跳转到对应 ISR
  • 使用 GIC（Generic Interrupt Controller）

中断控制器架构分层模型

+-----------------------------+
|       外设设备（GPIO/UART）|
+-----------------------------+
             │
             ▼
+-----------------------------+
| 中断控制器（NVIC / GIC）     |
| - 优先级控制                |
| - 中断屏蔽                  |
| - 中断号分配                |
| - 目标 CPU 分发（GIC）       |
+-----------------------------+
             │
             ▼
+-----------------------------+
|    CPU 异常入口（向量表）   |
| - NVIC：自动跳转           |
| - GIC：统一入口 + 软件分派  |
+-----------------------------+
             │
             ▼
+-----------------------------+
| 中断服务函数（ISR）        |
+-----------------------------+

二、NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）

适用于 ARM Cortex-M 系列（如 STM32） 的中断控制器。

✅ NVIC 特点：

内嵌在 Cortex-M 内核中，处理速度快
每个中断有唯一入口地址（ISR），在向量表中定义
自动保存/恢复上下文（部分寄存器）

✅ NVIC 相关函数（CMSIS）：

NVIC_EnableIRQ(IRQn);         // 开启中断
NVIC_DisableIRQ(IRQn);        // 关闭中断
NVIC_SetPriority(IRQn, prio); // 设置优先级

✅ 向量表结构（以 STM32 为例）：

const void* vector_table[] __attribute__((section(".isr_vector"))) = {
    (void*) &__StackTop,
    Reset_Handler,
    NMI_Handler,
    HardFault_Handler,
    ...
    TIM2_IRQHandler,  // IRQ #28
};

📘 NVIC 示例：STM32 定时器中断

// 向量表中注册 ISR
void TIM2_IRQHandler(void) {
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
}

// NVIC 设置优先级 & 使能中断
NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1);
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

✅ NVIC 中断流程图（硬件向量跳转）：

外设产生中断 (如 TIM2)
         ↓
NVIC 确认中断未屏蔽 → 比较优先级
         ↓
CPU 自动跳转到向量表对应地址
         ↓
执行 ISR（例如 TIM2_IRQHandler）
         ↓
中断返回 → 恢复主流程

三、GIC（Generic Interrupt Controller）

适用于 ARM Cortex-A 系列（如 A7、A53、A55） 的中断控制器，主要用于运行 Linux、Android 的多核系统。

✅ GIC 架构组成（通常为 GICv2/v3）：

中断类型：

GIC 配置步骤（简化流程）：

1. 读取中断号 GICC_IAR
2. 查表跳转 ISR（软件分支）
3. 执行中断服务函数
4. 写 GICC_EOIR 通知中断处理完毕

Linux 中的中断处理就是基于此机制：irq_desc[] → handle_irq()

✅ 中断流程（GIC + Linux）：

1. 外设产生中断 → GICD 接收
2. GIC 判断目标 CPU → 投递中断
3. CPU 接收中断 → 进入 __irq_svc
4. 内核调用 gic_read_iar() 获取中断号
5. 查找中断描述符 irq_desc[]
6. 调用对应 ISR（驱动注册的 handler）

1. __irq_svc: 汇编级中断入口
2. → arch_irq_handler_default()
3. → gic_handle_irq()
4. → read GICC_IAR → 得到中断号
5. → generic_handle_irq(irq)
6. → irq_desc[irq].handle_irq()
7. → ISR（驱动注册的中断处理函数）
8. → write GICC_EOIR 表示中断结束

在 Linux 内核中：

// Linux 中断通用框架
__irq_svc:         // 异常向量入口
    -> entry.S
    -> irq_handler
    -> gic_handle_irq()
    -> generic_handle_irq()
    -> irq_desc[irq].handle_irq()
    -> 驱动注册的 ISR

即：Linux 通过统一的中断入口 gic_handle_irq() 获取中断号 → 查表 → 跳转到目标 驱动注册的中断处理函数。

✅ GIC 中断流程图（软件分派）：

外设产生中断（如 UART1）
         ↓
GIC Distributor 接收中断请求
         ↓
确定目标 CPU（如 CPU0）
         ↓
CPU0 收到中断 → 跳转到统一入口地址（__irq_svc）
         ↓
软件读取中断号（GICC_IAR）
         ↓
调用 irq_desc[irq].handler → 驱动注册函数
         ↓
处理中断逻辑 → 写 GICC_EOIR 结束
         ↓
返回用户态

GIC 架构图（简化）

+----------------------+
|     GIC Distributor  |
|   - 接收中断          |
|   - 目标 CPU 核      |
|   - SPIs（共享中断）  |
+----------------------+
         |
+--------+--------+
| CPU Interface 0 |
| CPU Interface 1 |
| ...             |
+-----------------+

每个 CPU 核 ↔ GICC ↔ GICD ↔ 外设

📘 GIC 示例：Linux 驱动中注册中断

// 设备驱动中注册 IRQ
int irq = platform_get_irq(pdev, 0);
request_irq(irq, my_irq_handler, 0, "my_device", NULL);

irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev) {
    printk("Interrupt received!\n");
    return IRQ_HANDLED;
}

硬件向量（NVIC）vs 软件分支（GIC）对比

那么，从发者视角出发：何时使用哪种？

通过对比可见：

• NVIC 适用于单核 MCU，如 STM32、GD32
• GIC 适用于多核 SoC，如 RK3568、i.MX6、A7
• 软件分派方式是 Linux 内核中断的核心机制

NVIC 是硬件自动跳转中断处理函数；GIC 需要软件读取中断号后手动跳转。中断软件分派是 GIC 的核心特征，NVIC 则通过硬件向量表处理。

综上，

NVIC 是硬件帮你跳转，GIC 是你自己跳转。中断软件分支是“跳转方式的选择”，NVIC 和 GIC 是“分发机制的差异”。
Cortex-M 使用 NVIC，靠硬件向量跳转；Cortex-A 使用 GIC，依赖软件中断分派。

在后续的学习路径中，不同阶段需要掌握的内容有：

阶段				内容								建议平台
初级				NVIC、CMSIS 中断函数				STM32 / GD32
提高				GIC 配置、SGI 使用				Cortex-A7 / RK3568
系统级			Linux 中断子系统源码分析			STM32MP157 / IMX6ULL
驱动级			request_irq / 中断注册机制		Linux 驱动开发

熟练掌握和运用 中断机制是成为驱动工程师的基础，所以进入Linux驱动前要先介绍这部分核心的内容。

以上，欢迎有从事同行业的电子信息工程、互联网通信、嵌入式开发的朋友共同探讨与提问，我可以提供实战演示或模板库。希望内容能够对你产生帮助！