GPIO 中斷（外部中斷）完整教學：從原理到 ESP32/STM32 實作

2026 年 6 月 4 日 9點熱度 0人點贊 0條評論

什麼是中斷？

在嵌入式系統中，GPIO 中斷（GPIO Interrupt）是讓微控制器即時響應外部事件的核心機制——不用 CPU 一直輪詢（Polling）GPIO 腳位的電位變化，而是當事件發生時由硬體主動通知 CPU 暫停當前工作去處理。

想像你在看書（主程式在跑），有人敲門（GPIO 觸發），你放下一本書去開門（執行 ISR），開完門回來繼續看書（恢復主程式）——這就是中斷的日常類比。

相較於輪詢（Polling），中斷的好處非常明顯：

省電：CPU 不需要一直去檢查 GPIO 狀態，可以待在睡眠模式
即時性：事件發生到回應的延遲（Latency）可控且極短
效率：不用浪費 CPU 週期在無意義的查詢上

中斷與 DMA 傳輸經常搭配使用——DMA 負責搬資料，中斷負責通知 CPU「資料搬好了」。

GPIO 外部中斷的工作原理

GPIO 外部中斷的硬體路徑大致如下：

GPIO 腳位：外部訊號（按鈕、感測器輸出、其他 MCU 的訊號）接到 GPIO
邊緣/電平檢測電路：每個 GPIO 內部都有硬體電路可以檢測 Rising Edge、Falling Edge 或 Low Level
NVIC 或 CPU 中斷控制器：當中斷條件滿足時，向 CPU 發送中斷請求
向量表中查找 ISR：CPU 根據中斷編號，在 Vector Table 中找到對應的中斷服務函式入口
執行 ISR：CPU 保存當前 Context，執行 ISR
返回：ISR 執行完畢，CPU 恢復 Context 回到原本的程式

NVIC 中斷控制器架構

中斷觸發方式

GPIO 外部中斷支援四種觸發方式：

Rising Edge Trigger（上升緣觸發）：GPIO 從 Low 變 High 時觸發
Falling Edge Trigger（下降緣觸發）：GPIO 從 High 變 Low 時觸發
Both Edge Trigger（雙緣觸發）：電平無論上升或下降都觸發
Level Trigger（電平觸發）：GPIO 保持在特定電平時持續觸發（較少用於 GPIO）

GPIO 外部中斷觸發時序

上圖展示了三種中斷信號的差異：

Line A：每當 GPIO 從 0→1 時，Rising Edge 觸發
Line B：每當 GPIO 從 1→0 時，Falling Edge 觸發
Line C, D：Both Edge 模式在每個 Transitions 都觸發

選擇哪種觸發方式取決於應用：

按鈕按下 → 通常用 Falling Edge（內部 Pull-Up，按下＝Low）
編碼器（Encoder）→ Both Edge 才能捕捉所有脈衝
感測器中斷輸出 → 看 datasheet 指定 Rising 還是 Falling

ESP32 GPIO 中斷實作

ESP32 使用 Tensilica Xtensa LX6 核心（或 LX7 in S3），中斷控制器支援所有 GPIO 的中斷。

Arduino 框架：attachInterrupt()

// ESP32 Arduino - GPIO 外部中斷範例（按鈕計數）
const int BUTTON_PIN = 0;   // BOOT button on most dev boards
const int LED_PIN    = 2;
volatile int press_count = 0;
volatile bool triggered = false;

void IRAM_ATTR button_isr() {
    press_count++;
    triggered = true;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

    // 設定 Falling Edge 觸發（按鈕按下時 GPIO 從 High→Low）
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN), button_isr, FALLING);
}

void loop() {
    if (triggered) {
        triggered = false;
        Serial.printf("按鈕已被按下 %d 次\n", press_count);
        digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
    }
}

關鍵重點：

IRAM_ATTR — 強制 ISR 程式碼放在 IRAM 中，避免 Flash 快取未命中造成延遲
volatile — 編譯器不會優化這個變數，確保 ISR 和主迴圈之間共用資料正確
ISR 中只做最小必要操作，複雜邏輯放主迴圈

中斷也常與 FreeRTOS 多工管理搭配，在 ISR 中用 xQueueSendFromISR() 將事件傳遞給任務。

ESP-IDF 框架

// ESP-IDF - GPIO 中斷範例
#include "driver/gpio.h"

#define GPIO_BUTTON   GPIO_NUM_0
#define GPIO_LED      GPIO_NUM_2

static QueueHandle_t gpio_evt_queue = NULL;

static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void* arg) {
    uint32_t gpio_num = (uint32_t) arg;
    xQueueSendFromISR(gpio_evt_queue, &gpio_num, NULL);
}

void gpio_task_example(void* arg) {
    uint32_t io_num;
    for(;;) {
        if(xQueueReceive(gpio_evt_queue, &io_num, portMAX_DELAY)) {
            printf("GPIO %d 觸發中斷！\n", io_num);
            gpio_set_level(GPIO_LED, !gpio_get_level(GPIO_LED));
        }
    }
}

void app_main() {
    gpio_config_t io_conf = {
        .intr_type    = GPIO_INTR_NEGEDGE,
        .mode         = GPIO_MODE_INPUT,
        .pull_up_en   = 1,
        .pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_BUTTON),
    };
    gpio_config(&io_conf);
    gpio_set_direction(GPIO_LED, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL);
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);
    gpio_isr_handler_add(GPIO_BUTTON, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_BUTTON);
}

STM32 GPIO 中斷實作

STM32 使用 ARM Cortex-M 核心搭配 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），中斷機制比 ESP32 更嚴謹且支援巢狀搶佔。關於硬體定時器（Timer）的中斷原理類似，但定時器中斷是由內部計數器觸發而非 GPIO。

STM32 HAL 框架

// STM32 HAL - GPIO 外部中斷範例 (STM32F4)
void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin   = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_IT_FALLING;
    GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_PULL_UP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

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

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_7);
    }
}

STM32 中斷優先級管理

ARM Cortex-M 的 NVIC 支援 巢狀中斷：高優先級的中斷可以打斷正在執行的低優先級 ISR。

NVIC 中斷優先級搶佔示意

// 設定中斷優先級（STM32F4）
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI1_IRQn, 1, 0);   // 感測器中斷（高優先級）
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 5, 0);   // 按鈕中斷（低優先級）

中斷服務函式（ISR）最佳實踐

中斷處理流程

寫 ISR 跟寫一般函式很不一樣，以下是最重要的幾條守則：

✅ 可以做的事	❌ 不該做的事
讀取/寫入 GPIO	`delay()` / `HAL_Delay()`
設定 volatile 標記	`Serial.print()` / `printf()`
xQueueSendFromISR()	`malloc()` / `new`
清除中斷標記	長時間迴圈 / 阻塞操作
讀取感測器暫存器	操作 I²C/SPI 通訊（除非 DMA）

按鈕消抖（Debouncing）

機械式按鈕按下時會有彈跳（Bouncing）現象，GPIO 會在短時間內快速變換，造成多次中斷。

按鈕彈跳與軟體消抖時序

// 軟體消抖範例（ESP32 Arduino）
const int DEBOUNCE_MS = 50;
volatile unsigned long last_interrupt_time = 0;

void IRAM_ATTR debounced_isr() {
    unsigned long now = millis();
    if (now - last_interrupt_time > DEBOUNCE_MS) {
        last_interrupt_time = now;
        button_pressed = true;
    }
}

中斷向量表（Vector Table）

中斷向量表是 MCU 啟動時設定的表格，記錄了每個中斷編號對應的 ISR 函式位址。在 ARM Cortex-M 上，Vector Table 通常放在 Flash 開頭。中斷向量表的設計與 FIFO 緩衝區類似——都是為了解決生產者（硬體事件）和消費者（CPU）之間的速度匹配問題。

// STM32 預設中斷向量表 (節錄)
//   6        EXTI0_IRQHandler   // ← GPIO PA0 中斷
//   7        EXTI1_IRQHandler   // ← GPIO PA1 中斷
//  23        EXTI9_5_IRQHandler  // ← GPIO 5~9 共享
//  40        EXTI15_10_IRQHandler // ← GPIO 10~15 共享

STM32 的 GPIO 中斷是分組的：PA0~Px0 共享 EXTI0、PA1~Px1 共享 EXTI1 等，同一個 EXTI 編號的不同 Port 不能同時使用外部中斷。

ESP32 vs STM32 中斷對照表

功能	ESP32 (Arduino)	STM32 (HAL)
註冊 ISR	`attachInterrupt(pin, isr, mode)`	`HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(pin)` + Callback
觸發方式	RISING, FALLING, CHANGE, LOW, HIGH	GPIO_MODE_IT_RISING, _FALLING
ISR 中關中斷	`portDISABLE_INTERRUPTS()`	`__disable_irq()`
優先級設定	`ESP_INTR_FLAG_LEVELx`	`HAL_NVIC_SetPriority()`
中斷巢狀	有限支援	NVIC 完整支援
可用 GPIO 數量	所有 GPIO（最多 34 腳）	最多 16 個 EXTI（每個 Pin 可共享）

實戰：雙按鈕中斷控制 LED 亮度

綜合以上所學，來寫一個實戰範例：兩個按鈕分別控制 LED 亮度增減。PWM 信號產生可參考 PWM 完整教學。

// ESP32 - 雙按鈕中斷 PWM 控制 LED 亮度
const int BTN_UP   = 0;
const int BTN_DOWN = 4;
const int LED_PIN  = 2;

volatile bool up_pressed = false;
volatile bool down_pressed = false;

void IRAM_ATTR up_isr()   { up_pressed   = true; }
void IRAM_ATTR down_isr() { down_pressed = true; }

int brightness = 128;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(BTN_UP,   INPUT_PULLUP);
    pinMode(BTN_DOWN, INPUT_PULLUP);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BTN_UP),   up_isr,   FALLING);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BTN_DOWN), down_isr, FALLING);
    ledcSetup(0, 5000, 8);
    ledcAttachPin(LED_PIN, 0);
    ledcWrite(0, brightness);
}

void loop() {
    if (up_pressed) {
        up_pressed = false;
        brightness = min(brightness + 32, 255);
        ledcWrite(0, brightness);
        Serial.printf("亮度: %d\n", brightness);
    }
    if (down_pressed) {
        down_pressed = false;
        brightness = max(brightness - 32, 0);
        ledcWrite(0, brightness);
    }
    delay(50);
}

常見陷阱與除錯技巧

陷阱 1：ISR 中做太多事情

ISR 應該保持極簡——設定一個標記（Flag），然後馬上返回。

陷阱 2：忘記 volatile

ISR 與主迴圈/任務共用的全域變數必須加上 volatile。

陷阱 3：NVIC 優先級分組不一致

STM32 上，整個專案的 NVIC_PriorityGroup 必須一致。

陷阱 4：中斷標記未清除

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_PIN_0)) {
        // 處理中斷...
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_0);
    }
}

總結

GPIO 外部中斷是嵌入式系統中不可或缺的基礎技術。從 ESP32 的 attachInterrupt() 到 STM32 的 HAL + NVIC，雖然語法和 API 不同，但核心概念是一致的。掌握中斷後，可以進一步學習 Watchdog Timer 的應用——當系統因中斷異常而卡住時，Watchdog 就是最後一道防線。