中斷的基本概念及應(yīng)用

1. 概述

中斷是指MCU在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)某些意外情況需處理時(shí)，MCU能自動(dòng)停止正在運(yùn)行的程序并轉(zhuǎn)入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續(xù)運(yùn)行。中斷提供了應(yīng)用程序與現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的事情之間的接口。例如，我們可以使用中斷來捕獲觸發(fā)的按鈕、看門狗喂狗操作或計(jì)算發(fā)生的時(shí)間等。

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，處理器通常查看內(nèi)存中的一個(gè)預(yù)先定義好的位置，稱為中斷向量。向量通常包含相關(guān)中斷處理程序的地址，而包含應(yīng)用程序中所有向量的內(nèi)存塊稱為中斷向量表。

2. 基本概念

2.1 中斷的分類

中斷可按優(yōu)先級(jí)劃分為單級(jí)中斷與多級(jí)中斷，也可按OS是否參與處理將中斷分為一類與二類中斷：

2.1.1 單級(jí)與多級(jí)中斷

單級(jí)：即所有的中斷處于同一優(yōu)先級(jí)，這也就意味著當(dāng)一個(gè)中斷正在執(zhí)行時(shí)，其他中斷必須排隊(duì)等待直到當(dāng)前中斷處理完成。

多級(jí)：類似于Task中斷也區(qū)分不同的優(yōu)先級(jí)，低優(yōu)先級(jí)的中斷可以被高優(yōu)先級(jí)的中斷搶占。

2.1.2 一類與二類中斷

一類中斷：不與OS進(jìn)行交互，是優(yōu)先級(jí)最高的中斷，需要用戶正確的配置硬件、編寫處理程序并從中斷中返回，用不好的話出錯(cuò)概率高，一般應(yīng)用較少。

二類中斷：一般項(xiàng)目中使用的都是此類中斷，中斷發(fā)生時(shí)，RTA-OS執(zhí)行內(nèi)部代碼，然后調(diào)用用戶提供的ISR。中斷執(zhí)行從ISR的指定入口點(diǎn)開始，一直持續(xù)到入口函數(shù)返回。

2.2 中斷優(yōu)先級(jí)

在中斷的一般應(yīng)用中，中斷以多級(jí)中斷應(yīng)用為主，按中斷優(yōu)先級(jí)（IPL-Interrupt Priority Level）執(zhí)行，RTA-OS對(duì)IPL進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，其中IPL 0表示用戶級(jí)別，其中所有任務(wù)都執(zhí)行，IPL為1或更多表示中斷級(jí)別。

在單級(jí)平臺(tái)上有兩個(gè)IPL，0和1。IPL 0表示目標(biāo)不被中斷，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)順序運(yùn)行。IPL 1表示目標(biāo)正在為中斷提供服務(wù)。由于只有一個(gè)非零IPL，所有中斷（類別1和類別2）都以相同的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行。這意味著所有中斷都是序列化的，如下圖（a）。

在多級(jí)平臺(tái)上，高優(yōu)先級(jí)中斷可以搶占低優(yōu)先級(jí)中斷，因此ISRs處理程序可以嵌套，但I(xiàn)SR不能被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占，如下圖（b）。

根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序，一類中斷優(yōu)先級(jí)更高，其不能被二類中斷搶占，所有的2類中斷都比最低級(jí)的一類中斷低。

也可進(jìn)一步對(duì)中斷的優(yōu)先級(jí)按Task及OS級(jí)別繼續(xù)劃分為User Level和OS Level，此兩種中斷劃分也是宏觀級(jí)別的劃分，具體如下：

2.2.1 User Level

所謂User level，即是用戶可以控制的級(jí)別，即Task級(jí)別，用戶級(jí)別是允許處理所有中斷的最低中斷優(yōu)先級(jí)。所有任務(wù)都從其入口點(diǎn)開始在用戶級(jí)別執(zhí)行。

任務(wù)有時(shí)需要在用戶級(jí)別以上運(yùn)行，例如，它可能需要訪問與ISR共享的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)被訪問時(shí)，必須防止中斷被調(diào)用。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最簡單方法是，可以在任務(wù)在訪問數(shù)據(jù)時(shí)禁用中斷。另一種方法是使用Resource機(jī)制，即當(dāng)Task或2類中斷已經(jīng)獲得資源后，其他任務(wù)或ISR無法獲得該資源，防止任何其他任務(wù)或ISR同時(shí)進(jìn)入同一關(guān)鍵部分，如修改同一處變量導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

2.2.2 OS Level

由于二類中斷是需要OS參與，這樣2類ISR的最高優(yōu)先級(jí)定義了OS級(jí)別。如果執(zhí)行發(fā)生在OS級(jí)別或更高級(jí)別（一類中斷），則不會(huì)發(fā)生其他類別2中斷。RTA-OS使用OS Level來防止并發(fā)訪問內(nèi)部操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3. 中斷的應(yīng)用

3.1 中斷常用API

對(duì)于RTA-OS，在StartOS()后默認(rèn)所有中斷都打開，實(shí)際使用中，一般常用API為使能或禁用中斷，掛起、恢復(fù)中斷，可以調(diào)用如下API來啟用或禁用中斷：

DisableAllInterrupts()：禁用所有中斷

EnableAllInterrupts()：使能所有中斷

SuspendAllInterrupts() ：掛起所有中斷

ResumeAllInterrupts()：恢復(fù)所有中斷

SuspendOSInterrupts() ：掛起OS級(jí)別中斷

ResumeOSInterrupts()：恢復(fù)OS級(jí)別中斷

以上API在實(shí)際使用中，需注意：

1） DisableAllInterrupts() and EnableAllInterrupts()在硬件層面啟用或禁用中斷，這兩個(gè)API不能嵌套；

在DisableAllInterrupts()后必須再調(diào)用EnableAllInterrupts()；

2） SuspendAllInterrupts() and ResumeAllInterrupts()，掛起及恢復(fù)所有中斷，可以被嵌套；

3） SuspendOSInterrupts() and ResumeOSInterrupts()，可以嵌套使用；

4）Suspend與Resume需要成對(duì)出現(xiàn)，Resume不要比Suspend多；

5） 一類中斷在關(guān)閉期間，不可以調(diào)用OS的API；

6） 如果2類ISR將中斷級(jí)別提高到OS級(jí)別以上，并調(diào)用DisableAllInterrupts( )，則它可能不會(huì)進(jìn)行任何其他RTA-OS API調(diào)用，但用于恢復(fù)中斷優(yōu)先級(jí)的EnableAllInterrupts( )調(diào)用除外。執(zhí)行ISR時(shí)，不允許將中斷優(yōu)先級(jí)降低到初始級(jí)別以下。

3.2 一/二類中斷的處理

3.2.1一類中斷的處理

用戶必須確保一類ISR輸入功能的名稱與用戶在配置期間為ISR指定的名稱相同。

對(duì)于一類ISR，在定義輸入函數(shù)時(shí)，通常必須使用編譯器特定的關(guān)鍵字，RTA-OS提供了一個(gè)名為CAT1_ISR的宏，該宏可擴(kuò)展為編譯器工具鏈的正確指令，用戶應(yīng)使用該指令將函數(shù)標(biāo)記為一類ISR。

3.2.2 二類中斷的處理

二類中斷在RTA-OS控制下執(zhí)行，但不得在2類ISR中放置“中斷返回”命令，中斷返回由RTA-OS處理。當(dāng)二類中斷需要執(zhí)行時(shí)，由RTA-OS調(diào)用中斷的入口函數(shù)，二類中斷的入口函數(shù)如下：

#include  


ISR(isr_identifier){
/*  Handler  body.  */
}

3.3 中斷解除

當(dāng)硬件檢測到中斷時(shí)，它通常會(huì)設(shè)置一個(gè)掛起位，告訴中斷控制器中斷已經(jīng)發(fā)生。然后，中斷控制器將通過中斷向量表跳轉(zhuǎn)到處理程序，掛起位的處理取決于目標(biāo)，但有兩個(gè)基本方式：

1）中斷處理后（即中斷處理程序的分支發(fā)生時(shí)），掛起位自動(dòng)清除。當(dāng)處理程序退出時(shí)，如果在處理當(dāng)前中斷時(shí)中斷變?yōu)閽炱馉顟B(tài)，它將自動(dòng)重新觸發(fā)。

2）掛起位必須由中斷處理程序中的用戶代碼手動(dòng)清除。中斷處理程序的主體，無論是一類還是二類都需要包含清除掛起位的代碼，并向硬件發(fā)送中斷已被處理的信號(hào)。

3.4 中斷實(shí)際配置

RTA-OS使用的是靜態(tài)配置，項(xiàng)目實(shí)際開發(fā)中，需要OS開發(fā)人員在OS模塊開始配置前對(duì)各模塊（Adc、Pwm、Gpt等）的中斷需求進(jìn)行分析，如一類/二類中斷？中斷優(yōu)先級(jí)？回調(diào)函數(shù)名稱？等，OS開發(fā)人員還需要對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行評(píng)估，是否會(huì)影響系統(tǒng)中其他模塊工作。

此外，RTA-OS使用指定的向量為中斷生成向量表?xiàng)l目。與中斷優(yōu)先級(jí)一樣，中斷向量配置也是MCU特有（不同MCU，對(duì)應(yīng)的向量表不同）的，因此在配置中斷向量之前需要特別注意MCU選擇。

3.5 更高效的中斷處理方式

每個(gè)中斷處理程序?qū)⒃诖a執(zhí)行期間阻止所有優(yōu)先級(jí)相同或較低的中斷。在編寫中斷處理程序時(shí)，最好將處理程序盡可能短。長時(shí)間運(yùn)行的處理程序會(huì)為低優(yōu)先級(jí)中斷的服務(wù)增加額外的延遲。

使用中如果需要在中斷中處理較多的代碼，可以采用：將代碼寫到Task中，再通過中斷來激活Task，這樣低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以打斷該Task從而減少延遲，示例代碼如下：

#include
ISR(EfficientHandler){
ActivateTask(Task1);
}


TASK(Task1){
/*Longhandlercode.*/
TerminateTask();
}

審核編輯：湯梓紅