一、中斷的基本概念及流程

單片機(jī)中斷是指在單片機(jī)執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)外部設(shè)備或內(nèi)部條件發(fā)生某個(gè)特定事件時(shí)，能夠暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行一個(gè)特定的服務(wù)程序(稱為中斷服務(wù)程序或中斷

處理程序)，處理該事件，之后再返回到被中斷處繼續(xù)執(zhí)行原程序的一種機(jī)制。中斷提供了一種處理異步事件的有效方式。

中斷的基本概念包括以下幾個(gè)方面：

1. 中斷源：中斷源是指可以觸發(fā)中斷請(qǐng)求的事件或設(shè)備。中斷源可以是外部的，如外部設(shè)備的信號(hào)變化;也可以是內(nèi)部的，如定時(shí)器溢出、串口通信完成等。

2. 中斷向量：中斷向量是指中斷服務(wù)程序入口地址的指針。在中斷發(fā)生時(shí)，單片機(jī)通過查詢中斷向量表來確定要跳轉(zhuǎn)到的中斷服務(wù)程序的具體地址。

3. 中斷服務(wù)程序(ISR)：中斷服務(wù)程序是響應(yīng)中斷請(qǐng)求時(shí)所執(zhí)行的一段特殊的程序代碼。它專門用于處理中斷事件，并在處理完畢后返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。

4. 中斷請(qǐng)求(IRQ)：當(dāng)中斷源產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)時(shí)，這個(gè)信號(hào)被稱為中斷請(qǐng)求。中斷請(qǐng)求告知CPU有一個(gè)事件需要立即處理。

5. 中斷響應(yīng)：當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求后，如果中斷被允許，CPU將完成當(dāng)前指令的執(zhí)行，然后開始中斷響應(yīng)流程，包括保存當(dāng)前環(huán)境(如程序計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等)，然后跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序執(zhí)行。

6. 中斷優(yōu)先級(jí)：當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)請(qǐng)求時(shí)，中斷優(yōu)先級(jí)決定了哪個(gè)中斷會(huì)被首先處理。在具有多級(jí)中斷系統(tǒng)的單片機(jī)中，可以設(shè)置不同中斷源的優(yōu)先級(jí)。

7. 中斷使能與屏蔽：中斷使能是指允許中斷請(qǐng)求被CPU接受和處理的狀態(tài)。屏蔽則是指禁止中斷請(qǐng)求被CPU接受的狀態(tài)。軟件可以通過設(shè)置特定的控制位來使能或屏蔽中斷。

8. 中斷標(biāo)志：中斷標(biāo)志是指示特定中斷源是否發(fā)出中斷請(qǐng)求的標(biāo)志位。當(dāng)相應(yīng)的事件發(fā)生時(shí)，中斷標(biāo)志位被置位，CPU通過檢查這個(gè)標(biāo)志來識(shí)別中斷請(qǐng)求。

9. 中斷清除：在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，通常需要手動(dòng)或自動(dòng)清除中斷標(biāo)志位，以便單片機(jī)可以響應(yīng)后續(xù)的同類中斷請(qǐng)求。

10. 上下文切換 ：當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU需要保存當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境(上下文)，以便在中斷處理完成后能夠恢復(fù)執(zhí)行原來的程序。這個(gè)保存和恢復(fù)的過程稱為上下文切換。

中斷機(jī)制是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，它提高了系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)性，并且可以有效地利用CPU資源，提高系統(tǒng)的整體性能。

說明： CPU在處理某一事件A。另一事件B發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的工作。敢去處理事件。在CPU將事件B處理完畢后，再回到原來事件A被中斷的地方。繼續(xù)處理事件A

二、中斷的優(yōu)勢(shì)

1. 提高效率：中斷允許微控制器在需要時(shí)立即響應(yīng)外部事件，而不是通過輪詢的方式不斷檢查事件是否發(fā)生。這種機(jī)制避免了CPU資源的浪費(fèi)，因?yàn)镃PU只需在中斷發(fā)生時(shí)才處理相應(yīng)的事件。

2. 實(shí)時(shí)性：中斷驅(qū)動(dòng)的程序能夠快速響應(yīng)外部事件，這對(duì)于需要實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)操作的應(yīng)用(如工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、通信系統(tǒng)等)至關(guān)重要。

3. 并發(fā)處理：中斷使得單片機(jī)能夠看似同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。雖然單片機(jī)是單核的，不能真正并行處理多個(gè)任務(wù)，但中斷可以讓單片機(jī)在處理一個(gè)任務(wù)時(shí)，如果有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)發(fā)生，能夠暫停當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而處理更緊急的務(wù)。

4. 節(jié)能：中斷機(jī)制可以與低功耗模式結(jié)合使用。單片機(jī)可以在沒有任務(wù)需要處理時(shí)進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)外部事件觸發(fā)中斷時(shí)喚醒單片機(jī)，這樣可以顯著降低功耗，延長電池壽命。

5.響應(yīng)優(yōu)先級(jí)：中斷具有優(yōu)先級(jí)，使得開發(fā)者可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置不同中斷源的優(yōu)先級(jí)，確保更重要的任務(wù)能夜得到及時(shí)處理。

6. 簡化程序結(jié)構(gòu)：中斷機(jī)制簡化了程序的控制流程，因?yàn)椴恍枰谥餮h(huán)中編寫復(fù)雜的條件判斷和狀態(tài)管理代碼，相關(guān)的處理邏輯可以放在各自的中斷服務(wù)程序中。

7. 增強(qiáng)模塊性：每個(gè)中斷服務(wù)程序可以看作是一個(gè)獨(dú)立的模塊，負(fù)責(zé)處理特定的事件。這種模塊化設(shè)計(jì)使得程序更易于管理和維護(hù)。

8. 支持多任務(wù)操作：雖然單片機(jī)不是多線程的，但中斷可以創(chuàng)建一種多任務(wù)操作的效果，通過中斷服務(wù)程序來響應(yīng)和處理不同的任務(wù)。

9. 數(shù)據(jù)處理能力：對(duì)于數(shù)據(jù)采集和通信類應(yīng)用，中斷確保了數(shù)據(jù)能夠及時(shí)處理，例如，可以在串口接收到新數(shù)據(jù)時(shí)立即處理，避免了數(shù)據(jù)丟失或緩沖區(qū)溢出的風(fēng)險(xiǎn)。

10. 提升用戶體驗(yàn)：在用戶交互密集的應(yīng)用中，中斷可以確保用戶輸入得到快速響應(yīng)，提高了用戶體驗(yàn)。

三、中斷函數(shù)與普通函數(shù)的異同

相同點(diǎn)：

1. 函數(shù)結(jié)構(gòu)：無論是中斷函數(shù)還是普通函數(shù)，它們都有自己的函數(shù)名、參數(shù)列表(中斷函數(shù)通常沒有參數(shù))和函數(shù)體。

2. 代碼封裝：中斷函數(shù)和普通函數(shù)都是將代碼封裝起來以實(shí)現(xiàn)特定功能的方式，它們都可以在程序中被調(diào)用或觸發(fā)執(zhí)行。

3. 編程語言：中斷函數(shù)和普通函數(shù)通常都是使用相同的編程語言編寫的，如C語言。

不同點(diǎn)：

1. 觸發(fā)方式：

普通函數(shù)是由程序中的其他函數(shù)主動(dòng)調(diào)用的。

中斷函數(shù)是由外部事件(如硬件信號(hào))或內(nèi)部事件(如定時(shí)器溢出)觸發(fā)的。

2. 執(zhí)行流程：

普通函數(shù)的執(zhí)行是順序的，嚴(yán)格按照程序的控制流進(jìn)行。

中斷函數(shù)的執(zhí)行是非順序的，它打斷了當(dāng)前的程序執(zhí)行流程，當(dāng)中斷條件滿足時(shí)即被執(zhí)行。

3. 優(yōu)先級(jí)：

普通函數(shù)沒有優(yōu)先級(jí)的概念，它們的執(zhí)行取決于程序的邏輯順序。

中斷函數(shù)具有優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的中斷函數(shù)會(huì)先被執(zhí)行。

4. 執(zhí)行環(huán)境(上下文)：

普通函數(shù)在執(zhí)行時(shí)使用的是調(diào)用它的函數(shù)的上下文環(huán)境。

中斷函數(shù)需要保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，并在執(zhí)行完畢后恢復(fù)上下文，以便主程序可以繼續(xù)執(zhí)行。

5. 返回過程：

普通函數(shù)通過return語句返回到調(diào)用它的函數(shù)處。

中斷函數(shù)通過特殊的中斷返回指令(如8051中的RETI)返回，這個(gè)過程通常包括恢復(fù)之前被中斷的上下文。

6. 重入性：

普通函數(shù)是否可重入取決于其設(shè)計(jì)，如果函數(shù)使用了全局變量或靜態(tài)變量，可能就不是可重入的。

中斷函數(shù)通常需要設(shè)計(jì)為可重入的，因?yàn)樵趫?zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)可能會(huì)被更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷。

7. 資源使用：

普通函數(shù)對(duì)資源的使用相對(duì)自由。

中斷函數(shù)應(yīng)盡量簡短，避免使用大量的系統(tǒng)資源，以免影響系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

8. 編寫注意事項(xiàng)：

普通函數(shù)的編寫相對(duì)自由，可以根據(jù)需要使用各種語言特性。

中斷函數(shù)在編寫時(shí)需要特別注意，因?yàn)樗鼈冃枰焖賵?zhí)行并且不能阻塞，還要考慮到與主程序的交互和數(shù)據(jù)一致性問題。

總的來說，中斷函數(shù)是一種特殊的函數(shù)，它們?cè)谙到y(tǒng)中扮演著響應(yīng)硬件和軟件事件的角色，而普通函數(shù)則是構(gòu)建程序邏輯和實(shí)現(xiàn)功能的基本單元。在嵌入式編程中，合理地使用中斷函數(shù)對(duì)提高系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。

三、中斷函數(shù)的編碼注意事項(xiàng)

在編寫中斷服務(wù)程序(ISR)時(shí)，需要遵循一些特殊的編碼規(guī)范和注意事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。以下是編寫中斷函數(shù)時(shí)應(yīng)該考慮的一些關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 盡量簡短：中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡可能地簡短和高效，以便快速完成處理并返回主程序，減少對(duì)主程序流程的干擾。

2. 避免使用阻塞調(diào)用：中斷服務(wù)程序中不應(yīng)該包含可能會(huì)導(dǎo)致阻塞的調(diào)用，如等待信號(hào)量、延時(shí)等操作，因?yàn)檫@會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)其他中斷的響應(yīng)能力。

3. 保存和恢復(fù)上下文：中斷服務(wù)程序在執(zhí)行前應(yīng)該保存被打斷任務(wù)的上下文(如CPU寄存器)，并在執(zhí)行結(jié)束后恢復(fù)，以保證主程序能夠無縫繼續(xù)執(zhí)行。

4. 可重入性：如果中斷可以嵌套，或者同一個(gè)中斷服務(wù)程序可以由不同的事件觸發(fā)，那么這個(gè)程序必須是可重入的。這意味著它不能使用全局變量或靜態(tài)變量來保存狀態(tài)信息，除非這些變量是原子性訪問的。

5. 限制中斷屏蔽時(shí)間：在中斷服務(wù)程序中，可能需要臨時(shí)屏蔽(禁用)中斷，但是這種屏蔽的時(shí)間應(yīng)該盡可能短，以避免錯(cuò)過其他重要中斷的處理。

6. 謹(jǐn)慎操作共享數(shù)據(jù)：如果中斷服務(wù)程序需要訪問全局變量或其他共享資源，需要確保這些操作的原子性，以防止數(shù)據(jù)競爭和不一致性。這通常通過禁用中斷或使用其他同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

7. 快速響應(yīng)：中斷服務(wù)程序應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)為能夠快速響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求，這意味著在處理當(dāng)前中斷的同時(shí)，還要準(zhǔn)備接收和處理下一個(gè)中斷。

8. 中斷嵌套：在允許中斷嵌套的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)明確各個(gè)中斷服務(wù)程序之間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，并合理設(shè)計(jì)代碼，以處理嵌套中斷情況。

9. 中斷標(biāo)志清除：在中斷服務(wù)程序的適當(dāng)位置清除中斷標(biāo)志位，以避免產(chǎn)生多余的中斷。某些單片機(jī)可能在中斷返回指令執(zhí)行時(shí)自動(dòng)清除標(biāo)志位，而某些則需要手動(dòng)清除。

10. 避免浮點(diǎn)運(yùn)算：由于浮點(diǎn)運(yùn)算通常較為耗時(shí)，且可能需要額外的上下文保存和恢復(fù)操作，因此

在中斷服務(wù)程序中應(yīng)避免使用浮點(diǎn)運(yùn)算。

11. 測(cè)試和驗(yàn)證：中斷服務(wù)程序應(yīng)該經(jīng)過徹底的測(cè)試，以驗(yàn)證它們?cè)诟鞣N情況下的行為，特別是在系統(tǒng)負(fù)載高時(shí)的表現(xiàn)。

12. 編譯器優(yōu)化：有時(shí)候編譯器的優(yōu)化設(shè)置可能會(huì)影響中斷服務(wù)程序的正確性，需要確保編譯器的優(yōu)化設(shè)置與中斷服務(wù)程序的編寫相兼容。

四、中斷使用有什么注意事項(xiàng)

1. 中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)：合理地分配中斷優(yōu)先級(jí)，確保高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)程序，以處理更緊急的任務(wù)。

2. 中斷屏蔽策略：在關(guān)鍵的代碼段中，可能需要臨時(shí)屏蔽中斷，以保護(hù)代碼的原子性操作。但要注意屏蔽時(shí)間不宜過長，以免影響系統(tǒng)對(duì)中斷的響應(yīng)。

3. 中斷觸發(fā)模式：正確設(shè)置中斷的觸發(fā)模式，如邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)，并確保硬件配置與之匹配。

4. 資源共享與同步：當(dāng)中斷服務(wù)程序與主程序共享資源(如數(shù)據(jù)、外設(shè)等)時(shí)，需要確保通過適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制來避免競態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致。

5. 中斷服務(wù)程序的編寫：中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡量簡短，執(zhí)行速度要快，避免復(fù)雜的邏輯和耗時(shí)的操作。

6. 中斷嵌套處理：如果系統(tǒng)支持中斷嵌套，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序，確保在處理一個(gè)中斷時(shí)能夠正確響應(yīng)另一個(gè)中斷。

7. 中斷頻率控制：過高的中斷頻率可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載過重，從而影響系統(tǒng)性能。需要確保系統(tǒng)能夠在最壞情況下也能處理所有的中斷。

8. 中斷禁用與使能：在啟動(dòng)中斷前，確保所有相關(guān)的硬件和軟件準(zhǔn)備就緒。在關(guān)閉中斷后，確保不會(huì)遺漏任何重要的事件。

審核編輯：湯梓紅