單片機中斷系統(tǒng)詳解

一、中斷的基本概念及流程

單片機中斷是指在單片機執(zhí)行程序的過程中，當外部設備或內部條件發(fā)生某個特定事件時，能夠暫停當前正在執(zhí)行的程序，轉而去執(zhí)行一個特定的服務程序(稱為中斷服務程序或中斷

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方面：

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

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

3. 中斷服務程序(ISR)：中斷服務程序是響應中斷請求時所執(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. 中斷請求(IRQ)：當中斷源產(chǎn)生一個中斷信號時，這個信號被稱為中斷請求。中斷請求告知CPU有一個事件需要立即處理。

5. 中斷響應：當CPU接收到中斷請求后，如果中斷被允許，CPU將完成當前指令的執(zhí)行，然后開始中斷響應流程，包括保存當前環(huán)境(如程序計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等)，然后跳轉到對應的中斷服務程序執(zhí)行。

6. 中斷優(yōu)先級：當多個中斷同時請求時，中斷優(yōu)先級決定了哪個中斷會被首先處理。在具有多級中斷系統(tǒng)的單片機中，可以設置不同中斷源的優(yōu)先級。

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

8. 中斷標志：中斷標志是指示特定中斷源是否發(fā)出中斷請求的標志位。當相應的事件發(fā)生時，中斷標志位被置位，CPU通過檢查這個標志來識別中斷請求。

9. 中斷清除：在中斷服務程序執(zhí)行完畢后，通常需要手動或自動清除中斷標志位，以便單片機可以響應后續(xù)的同類中斷請求。

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

中斷機制是嵌入式系統(tǒng)設計中非常重要的一部分，它提高了系統(tǒng)對外部事件的響應速度和實時性，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)出中斷請求。CPU暫時中斷當前的工作。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

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

2. 實時性：中斷驅動的程序能夠快速響應外部事件，這對于需要實時或近實時操作的應用(如工業(yè)控制、醫(yī)療設備、通信系統(tǒng)等)至關重要。

3. 并發(fā)處理：中斷使得單片機能夠看似同時處理多個任務。雖然單片機是單核的，不能真正并行處理多個任務，但中斷可以讓單片機在處理一個任務時，如果有更高優(yōu)先級的任務發(fā)生，能夠暫停當前任務，轉而處理更緊急的務。

4. 節(jié)能：中斷機制可以與低功耗模式結合使用。單片機可以在沒有任務需要處理時進入睡眠模式，當外部事件觸發(fā)中斷時喚醒單片機，這樣可以顯著降低功耗，延長電池壽命。

5.響應優(yōu)先級：中斷具有優(yōu)先級，使得開發(fā)者可以根據(jù)應用需求設置不同中斷源的優(yōu)先級，確保更重要的任務能夜得到及時處理。

6. 簡化程序結構：中斷機制簡化了程序的控制流程，因為不需要在主循環(huán)中編寫復雜的條件判斷和狀態(tài)管理代碼，相關的處理邏輯可以放在各自的中斷服務程序中。

7. 增強模塊性：每個中斷服務程序可以看作是一個獨立的模塊，負責處理特定的事件。這種模塊化設計使得程序更易于管理和維護。

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

9. 數(shù)據(jù)處理能力：對于數(shù)據(jù)采集和通信類應用，中斷確保了數(shù)據(jù)能夠及時處理，例如，可以在串口接收到新數(shù)據(jù)時立即處理，避免了數(shù)據(jù)丟失或緩沖區(qū)溢出的風險。

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

三、中斷函數(shù)與普通函數(shù)的異同

相同點：

1. 函數(shù)結構：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現(xiàn)特定功能的方式，它們都可以在程序中被調用或觸發(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：

1. 觸發(fā)方式：

普通函數(shù)是由程序中的其他函數(shù)主動調用的。

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

2. 執(zhí)行流程：

普通函數(shù)的執(zhí)行是順序的，嚴格按照程序的控制流進行。

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

3. 優(yōu)先級：

普通函數(shù)沒有優(yōu)先級的概念，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，當多個中斷同時發(fā)生時，高優(yōu)先級的中斷函數(shù)會先被執(zhí)行。

4. 執(zhí)行環(huán)境(上下文)：

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

中斷函數(shù)需要保存當前任務的上下文，并在執(zhí)行完畢后恢復上下文，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，這個過程通常包括恢復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計，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)通常需要設計為可重入的，因為在執(zhí)行中斷服務程序時可能會被更高優(yōu)先級的中斷打斷。

7. 資源使用：

普通函數(shù)對資源的使用相對自由。

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

8. 編寫注意事項：

普通函數(shù)的編寫相對自由，可以根據(jù)需要使用各種語言特性。

中斷函數(shù)在編寫時需要特別注意，因為它們需要快速執(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)，它們在系統(tǒng)中扮演著響應硬件和軟件事件的角色，而普通函數(shù)則是構建程序邏輯和實現(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)對提高系統(tǒng)的效率和實時性至關重要。

三、中斷函數(shù)的編碼注意事項

在編寫中斷服務程序(ISR)時，需要遵循一些特殊的編碼規(guī)范和注意事項，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行。以下是編寫中斷函數(shù)時應該考慮的一些關鍵點：

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

2. 避免使用阻塞調用：中斷服務程序中不應該包含可能會導致阻塞的調用，如等待信號量、延時等操作，因為這會影響系統(tǒng)對其他中斷的響應能力。

3. 保存和恢復上下文：中斷服務程序在執(zhí)行前應該保存被打斷任務的上下文(如CPU寄存器)，并在執(zhí)行結束后恢復，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，或者同一個中斷服務程序可以由不同的事件觸發(fā)，那么這個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. 限制中斷屏蔽時間：在中斷服務程序中，可能需要臨時屏蔽(禁用)中斷，但是這種屏蔽的時間應該盡可能短，以避免錯過其他重要中斷的處理。

6. 謹慎操作共享數(shù)據(jù)：如果中斷服務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制來實現(xiàn)。

7. 快速響應：中斷服務程序應當被設計為能夠快速響應新的中斷請求，這意味著在處理當前中斷的同時，還要準備接收和處理下一個中斷。

8. 中斷嵌套：在允許中斷嵌套的系統(tǒng)中，應當明確各個中斷服務程序之間的優(yōu)先級關系，并合理設計代碼，以處理嵌套中斷情況。

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

10. 避免浮點運算：由于浮點運算通常較為耗時，且可能需要額外的上下文保存和恢復操作，因此

在中斷服務程序中應避免使用浮點運算。

11. 測試和驗證：中斷服務程序應該經(jīng)過徹底的測試，以驗證它們在各種情況下的行為，特別是在系統(tǒng)負載高時的表現(xiàn)。

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

四、中斷使用有什么注意事項

1. 中斷優(yōu)先級設計：合理地分配中斷優(yōu)先級，確保高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷服務程序，以處理更緊急的任務。

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

3. 中斷觸發(fā)模式：正確設置中斷的觸發(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：當中斷服務程序與主程序共享資源(如數(shù)據(jù)、外設等)時，需要確保通過適當?shù)耐綑C制來避免競態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致。

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

6. 中斷嵌套處理：如果系統(tǒng)支持中斷嵌套，需要仔細設計中斷服務程序，確保在處理一個中斷時能夠正確響應另一個中斷。

7. 中斷頻率控制：過高的中斷頻率可能會導致系統(tǒng)負載過重，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：在啟動中斷前，確保所有相關的硬件和軟件準備就緒。在關閉中斷后，確保不會遺漏任何重要的事件。

審核編輯：湯梓紅