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(dāng)外部設(shè)備或內(nèi)部條件發(fā)生某個特定事件時，能夠暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行一個特定的服務(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(shè)備。中斷源可以是外部的，如外部設(shè)備的信號變化;也可以是內(nèi)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(wù)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(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(dāng)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(yīng)：當(dāng)CPU接收到中斷請求后，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(如程序計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等)，然后跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序執(zhí)行。

6. 中斷優(yōu)先級：當(dāng)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(shè)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(shè)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(dāng)相應(yīng)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(wù)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(yīng)后續(xù)的同類中斷請求。

10. 上下文切換 ：當(dāng)中斷發(fā)生時，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。這個保存和恢復(fù)的過程稱為上下文切換。

中斷機制是嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(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

1. 提高效率：中斷允許微控制器在需要時立即響應(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(yīng)的事件。

2. 實時性：中斷驅(qū)動的程序能夠快速響應(yīng)外部事件，這對于需要實時或近實時操作的應(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：中斷使得單片機能夠看似同時處理多個任務(wù)。雖然單片機是單核的，不能真正并行處理多個任務(wù)，但中斷可以讓單片機在處理一個任務(wù)時，如果有更高優(yōu)先級的任務(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：中斷機制可以與低功耗模式結(jié)合使用。單片機可以在沒有任務(wù)需要處理時進入睡眠模式，當(dāng)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(yīng)優(yōu)先級：中斷具有優(yōu)先級，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，確保更重要的任務(wù)能夜得到及時處理。

6. 簡化程序結(jié)構(gòu)：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(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. 增強模塊性：每個中斷服務(wù)程序可以看作是一個獨立的模塊，負責(zé)處理特定的事件。這種模塊化設(shè)計使得程序更易于管理和維護。

8. 支持多任務(wù)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(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(fēng)險。

10. 提升用戶體驗：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。

三、中斷函數(shù)與普通函數(shù)的異同

相同點：

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：

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(diào)用的。

中斷函數(shù)是由外部事件(如硬件信號)或內(nèi)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(dāng)前的程序執(zhí)行流程，當(dāng)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(dāng)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(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，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)計為可重入的，因為在執(zhí)行中斷服務(wù)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(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：

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(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(guān)重要。

三、中斷函數(shù)的編碼注意事項

在編寫中斷服務(wù)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(yīng)該考慮的一些關(guān)鍵點：

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)該包含可能會導(dǎo)致阻塞的調(diào)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(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，或者同一個中斷服務(wù)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(wù)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(yīng)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(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制來實現(xiàn)。

7. 快速響應(yīng)：中斷服務(wù)程序應(yīng)當(dāng)被設(shè)計為能夠快速響應(yīng)新的中斷請求，這意味著在處理當(dāng)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(yīng)當(dāng)明確各個中斷服務(wù)程序之間的優(yōu)先級關(guān)系，并合理設(shè)計代碼，以處理嵌套中斷情況。

9. 中斷標志清除：在中斷服務(wù)程序的適當(dāng)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(fù)操作，因此

在中斷服務(wù)程序中應(yīng)避免使用浮點運算。

11. 測試和驗證：中斷服務(wù)程序應(yīng)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(shè)置可能會影響中斷服務(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

1. 中斷優(yōu)先級設(shè)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(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(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，需要確保通過適當(dāng)?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(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(shè)計中斷服務(wù)程序，確保在處理一個中斷時能夠正確響應(yīng)另一個中斷。

7. 中斷頻率控制：過高的中斷頻率可能會導(dǎo)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(guān)的硬件和軟件準備就緒。在關(guān)閉中斷后，確保不會遺漏任何重要的事件。

審核編輯：湯梓紅