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发表于 2023-3-27 22:41
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## 中断
### 简介
- 中断（Interrupt）是一种事件响应机制，可以使单片机在处理其他任务的同时及时响应并处理紧急事件，提高系统的实时性能和可靠性。
- 中断是一种异步事件响应方式，当指定的事件发生时，中断处理器会立即暂停当前程序执行，转而执行中断服务程序，处理完中断事件后再返回原来的程序执行流程。
### 组成部分
- 在单片机中，中断由中断源、中断控制器和中断服务程序组成。
#### 中断源
- 产生中断事件的硬件设备或软件程序，如定时器溢出、外部输入信号、串口接收数据等。
#### 中断控制器
- 负责检测中断源产生的中断请求，并向CPU发送中断信号，在CPU完成当前指令后跳转到相应的中断服务程序。
在32位单片机中，中断控制器通常由NVIC（Nested Vector Interrupt Controller）实现。NVIC支持多达240个中断源，可以灵活配置优先级、屏蔽中断等设置。
下面是一个在STM32F4单片机上使用NVIC实现中断初始化的示例代码：
```c
// 初始化中断
void init_interrupt(void) {
// 使能IRQ中断
NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PriorityGroup_4);
// 初始化中断优先级
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
```
#### 中断服务程序
- 是一个用于处理特定中断事件的程序。
- 包括清除中断标志位、保存现场、执行特定操作、恢复现场等步骤，最后通过返回指令返回到原来的任务流程。
在32位单片机中，中断服务程序通常由ISR（Interrupt Service Routine）实现。ISR是一种特殊的函数，具有固定的格式和命名规则，以便编译器正确地生成中断向量表和中断服务程序入口地址。例如，对于外部中断EXTI1的中断服务程序，其函数定义应该如下所示：
```c
// EXTI1中断服务程序
void EXTI1_IRQHandler(void) {
// 处理中断事件
// ...
// 清除中断标志位
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}
```
### 响应过程
- 中断响应过程主要包括中断源产生中断请求、中断控制器检测到中断请求、CPU暂停当前任务跳转到中断服务程序、中断服务程序处理中断事件、CPU返回原任务继续执行等几个步骤。
以下是中断响应过程的详细说明：
1. 中断源产生中断请求
当某个硬件设备或软件程序产生了一个需要CPU立即处理的事件时，会向中断控制器发送中断请求信号。例如，当定时器溢出时，定时器会向中断控制器发送一个定时器中断请求。
2. 中断控制器检测到中断请求
中断控制器不断检测是否有中断请求发生，当检测到中断请求时，会向CPU发送中断信号，通知CPU有中断事件需要处理。
在32位单片机中，中断控制器通常由NVIC实现。NVIC会根据中断优先级和屏蔽设置等信息来判断是否响应中断请求，并向CPU发送相应的中断信号。
3. CPU暂停当前任务，跳转到中断服务程序
当CPU收到中断信号后，会暂停正在执行的任务，并将当前指令的下一条指令地址（PC）保存到堆栈中，以便在中断服务程序执行完后返回原来的任务流程。然后，CPU会从中断向量表中读取相应中断源对应的中断服务程序入口地址，并跳转到该地址开始执行中断服务程序。
4. 中断服务程序处理中断事件
中断服务程序是用于处理特定中断事件的程序，它包括清除中断标志位、保存现场、执行特定操作、恢复现场等步骤，最后通过返回指令返回到原来的任务流程。
在中断服务程序中，需要清除中断标志位以便下一次中断响应，例如，对于外部中断EXTI1的中断服务程序，可以使用以下代码清除中断标志位：
```c
// 清除中断标志位
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
```
5. CPU返回原任务继续执行
当中断服务程序执行完毕后，CPU会从堆栈中读取之前保存的PC值，恢复执行原来的任务流程，即返回到之前暂停的任务处，继续执行原来的指令。
### 中断向量表
- 中断向量表（Interrupt Vector Table）是一种特殊的数据结构，用于存储所有中断服务程序的入口地址。
- 在单片机启动时，中断向量表会被加载到固定的内存位置，并在中断响应时被CPU使用。
- 它通常是一个连续的存储区域，每个中断源都占据一个固定的位置。
- 当中断控制器检测到中断请求时，会将相应的中断编号作为索引，从中断向量表中读取对应的中断服务程序入口地址，并跳转到该地址开始执行中断服务程序。
以下是在STM32F4单片机上定义中断向量表的示例代码：
```c
// 中断向量表
void (* const InterruptVectorTable[]) (void) __attribute__ ((section(".isr_vector"))) = {
(void (*)(void)) &_estack, // 栈指针
Reset_Handler, // 复位中断
NMI_Handler, // 非屏蔽中断
HardFault_Handler, // 硬件故障中断
MemManage_Handler, // 存储器管理中断
BusFault_Handler, // 总线错误中断
UsageFault_Handler, // 用法错误中断
0, // 保留
0, // 保留
0, // 保留
0, // 保留
SVC_Handler, // 系统调用中断
DebugMon_Handler, // 调试监视中断
0, // 保留
PendSV_Handler, // 挂起中断
SysTick_Handler, // 系统定时器中断
// 外部中断0~15的中断服务程序
EXTI0_IRQHandler,
EXTI1_IRQHandler,
EXTI2_IRQHandler,
EXTI3_IRQHandler,
EXTI4_IRQHandler,
EXTI9_5_IRQHandler,
EXTI15_10_IRQHandler,
// 更多的外部中断服务程序
};
```
### 注意事项
- 在使用中断时，需要注意一些问题，如中断的优先级、中断嵌套、中断延迟等，以确保系统的稳定性和可靠性。
#### 中断优先级
- 中断优先级可以决定哪个中断优先处理。
- 在NVIC中，中断优先级分为4位或3位，越高的值表示越低的优先级。
- 在设计中，需要根据具体应用场景来设置合理的中断优先级，以避免因低优先级中断被屏蔽而导致紧急事件无法及时处理的情况。
以下是在STM32F4单片机上设置中断优先级的示例代码：
```c
// 设置某个中断的优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01; // 抢占优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01; // 子优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
```
#### 中断嵌套
- 中断响应时，如果又有新的中断请求产生，就会发生中断嵌套。
- 在处理中断嵌套时，需要注意保存现场和恢复现场的顺序，以免出现逆序恢复导致系统错误的情况。
以下是在STM32F4单片机上处理中断嵌套的示例代码：
```c
// 外部中断0服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void) {
// 保存现场
NVIC_SystemHandlerPendingBitConfig(SYS_TICK, DISABLE); // 禁用SysTick中断
__disable_irq(); // 禁用所有中断
// 处理中断
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0)) {
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
// 触发外部中断1
EXTI_GenerateSWInterrupt(EXTI_Line1);
}
// 恢复现场
__enable_irq(); // 使能所有中断
NVIC_SystemHandlerPendingBitConfig(SYS_TICK, ENABLE); // 使能SysTick中断
}
```
#### 中断延迟
- 当中断服务程序执行时间过长或存在阻塞操作时，会导致其他中断响应受到影响，甚至出现错误。
- 在设计中，需要尽量避免中断延迟，并采取一些手段优化中断服务程序的执行效率，以确保系统实时性。
以下是降低一些常见中断延迟的方法：
- 将中断服务程序的执行时间尽量缩短；
- 禁止在中断服务程序中使用延时函数、锁存器等方式；
- 对于需要较长时间处理的中断事件，可以通过将其放在主循环中异步处理的方式来避免中断延迟。
#### 响应优先级和先占优先级
在中断处理中，常常涉及到两个概念：响应优先级和先占优先级。
响应优先级是指中断请求发生时，CPU按照一定的优先级顺序来处理多个中断请求。具有更高响应优先级的中断会在低优先级中断之前得到处理。
先占优先级是指在某个中断服务程序执行期间，不允许其他优先级低于其自身的中断干扰它的执行。如果此时发生了优先级更高的中断请求，则需要等待当前中断服务程序执行完成后再进行处理，这就是优先级抢占。
在STM32F4单片机中，中断响应优先级分为抢占优先级和响应优先级，其中抢占优先级用于决定同优先级中断之间的抢占关系，而响应优先级则用于决定不同优先级中断之间的响应顺序。
以下是在STM32F4单片机中设置中断优先级的示例代码：
```c
// 设置中断优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01; // 抢占优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01; // 响应优先级为1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
```
在该示例中，抢占优先级为1，响应优先级为1，表示该中断服务程序的优先级比所有响应优先级为2及以下的中断都要高。
总之，在设计中断处理过程时，需要合理设置中断响应和抢占优先级，以满足系统实时性和稳定性的要求。
### 注意事项：
#### 中断开关
在使用中断前，需要先打开中断总开关，使得单片机可以响应中断请求。在STM32F4单片机中，可以通过以下代码打开中断总开关：
```c
// 打开中断总开关
__enable_irq();
```
在使用完中断后，需要关闭中断总开关，以避免产生其他不必要的中断响应。在STM32F4单片机中，可以通过以下代码关闭中断总开关：
```c
// 关闭中断总开关
__disable_irq();
```
#### 中断优先级
在使用中断时，需要根据实际需求设置中断优先级，以确保不同优先级中断的响应顺序和抢占关系符合设计要求。如果中断优先级设置不当，可能会导致系统性能下降或出现严重错误。
#### 中断嵌套
当多个中断同时发生时，可能会出现中断嵌套的情况，这会影响中断处理效率和正确性。因此，在编写中断服务程序时，需要考虑中断嵌套的情况，并采取相应的措施避免嵌套带来的问题。
#### 中断延迟
当中断服务程序执行时间过长或存在阻塞操作时，会导致其他中断响应受到影响，甚至出现错误。因此，在设计中，需要尽量避免中断延迟，并采取一些手段优化中断服务程序的执行效率，以确保系统实时性。
#### 中断与优先级反转
中断与优先级反转是一种由于中断优先级问题导致的系统问题，这可能会使得高优先级的任务被低优先级的中断事件阻塞。在设计中需要避免出现中断与优先级反转的情况，并采取一些手段解决该问题。
总之，在使用中断时，需要全面考虑系统的实时性、可靠性和稳定性，以确保中断处理能够达到预期的效果。
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