单片机中断系统详解

一、中断的基本概念及流程

单片机中断是指在单片机执行程序的过程中，当外部设备或内部条件发生某个特定事件时，能够暂停当前正在执行的程序，转而去执行一个特定的服务程序(称为中断服务程序或中断

处理程序)，处理该事件，之后再返回到被中断处继续执行原程序的一种机制。中断提供了一种处理异步事件的有效方式。

中断的基本概念包括以下几个方面：

1. 中断源：中断源是指可以触发中断请求的事件或设备。中断源可以是外部的，如外部设备的信号变化;也可以是内部的，如定时器溢出、串口通信完成等。

2. 中断向量：中断向量是指中断服务程序入口地址的指针。在中断发生时，单片机通过查询中断向量表来确定要跳转到的中断服务程序的具体地址。

3. 中断服务程序(ISR)：中断服务程序是响应中断请求时所执行的一段特殊的程序代码。它专门用于处理中断事件，并在处理完毕后返回到主程序继续执行。

4. 中断请求(IRQ)：当中断源产生一个中断信号时，这个信号被称为中断请求。中断请求告知CPU有一个事件需要立即处理。

5. 中断响应：当CPU接收到中断请求后，如果中断被允许，CPU将完成当前指令的执行，然后开始中断响应流程，包括保存当前环境(如程序计数器、状态寄存器等)，然后跳转到对应的中断服务程序执行。

6. 中断优先级：当多个中断同时请求时，中断优先级决定了哪个中断会被首先处理。在具有多级中断系统的单片机中，可以设置不同中断源的优先级。

7. 中断使能与屏蔽：中断使能是指允许中断请求被CPU接受和处理的状态。屏蔽则是指禁止中断请求被CPU接受的状态。软件可以通过设置特定的控制位来使能或屏蔽中断。

8. 中断标志：中断标志是指示特定中断源是否发出中断请求的标志位。当相应的事件发生时，中断标志位被置位，CPU通过检查这个标志来识别中断请求。

9. 中断清除：在中断服务程序执行完毕后，通常需要手动或自动清除中断标志位，以便单片机可以响应后续的同类中断请求。

10. 上下文切换 ：当中断发生时，CPU需要保存当前执行环境(上下文)，以便在中断处理完成后能够恢复执行原来的程序。这个保存和恢复的过程称为上下文切换。

中断机制是嵌入式系统设计中非常重要的一部分，它提高了系统对外部事件的响应速度和实时性，并且可以有效地利用CPU资源，提高系统的整体性能。

说明： CPU在处理某一事件A。另一事件B发出中断请求。CPU暂时中断当前的工作。敢去处理事件。在CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方。继续处理事件A

二、中断的优势

1. 提高效率：中断允许微控制器在需要时立即响应外部事件，而不是通过轮询的方式不断检查事件是否发生。这种机制避免了CPU资源的浪费，因为CPU只需在中断发生时才处理相应的事件。

2. 实时性：中断驱动的程序能够快速响应外部事件，这对于需要实时或近实时操作的应用(如工业控制、医疗设备、通信系统等)至关重要。

3. 并发处理：中断使得单片机能够看似同时处理多个任务。虽然单片机是单核的，不能真正并行处理多个任务，但中断可以让单片机在处理一个任务时，如果有更高优先级的任务发生，能够暂停当前任务，转而处理更紧急的务。

4. 节能：中断机制可以与低功耗模式结合使用。单片机可以在没有任务需要处理时进入睡眠模式，当外部事件触发中断时唤醒单片机，这样可以显著降低功耗，延长电池寿命。

5.响应优先级：中断具有优先级，使得开发者可以根据应用需求设置不同中断源的优先级，确保更重要的任务能夜得到及时处理。

6. 简化程序结构：中断机制简化了程序的控制流程，因为不需要在主循环中编写复杂的条件判断和状态管理代码，相关的处理逻辑可以放在各自的中断服务程序中。

7. 增强模块性：每个中断服务程序可以看作是一个独立的模块，负责处理特定的事件。这种模块化设计使得程序更易于管理和维护。

8. 支持多任务操作：虽然单片机不是多线程的，但中断可以创建一种多任务操作的效果，通过中断服务程序来响应和处理不同的任务。

9. 数据处理能力：对于数据采集和通信类应用，中断确保了数据能够及时处理，例如，可以在串口接收到新数据时立即处理，避免了数据丢失或缓冲区溢出的风险。

10. 提升用户体验：在用户交互密集的应用中，中断可以确保用户输入得到快速响应，提高了用户体验。

三、中断函数与普通函数的异同

相同点：

1. 函数结构：无论是中断函数还是普通函数，它们都有自己的函数名、参数列表(中断函数通常没有参数)和函数体。

2. 代码封装：中断函数和普通函数都是将代码封装起来以实现特定功能的方式，它们都可以在程序中被调用或触发执行。

3. 编程语言：中断函数和普通函数通常都是使用相同的编程语言编写的，如C语言。

不同点：

1. 触发方式：

普通函数是由程序中的其他函数主动调用的。

中断函数是由外部事件(如硬件信号)或内部事件(如定时器溢出)触发的。

2. 执行流程：

普通函数的执行是顺序的，严格按照程序的控制流进行。

中断函数的执行是非顺序的，它打断了当前的程序执行流程，当中断条件满足时即被执行。

3. 优先级：

普通函数没有优先级的概念，它们的执行取决于程序的逻辑顺序。

中断函数具有优先级，当多个中断同时发生时，高优先级的中断函数会先被执行。

4. 执行环境(上下文)：

普通函数在执行时使用的是调用它的函数的上下文环境。

中断函数需要保存当前任务的上下文，并在执行完毕后恢复上下文，以便主程序可以继续执行。

5. 返回过程：

普通函数通过return语句返回到调用它的函数处。

中断函数通过特殊的中断返回指令(如8051中的RETI)返回，这个过程通常包括恢复之前被中断的上下文。

6. 重入性：

普通函数是否可重入取决于其设计，如果函数使用了全局变量或静态变量，可能就不是可重入的。

中断函数通常需要设计为可重入的，因为在执行中断服务程序时可能会被更高优先级的中断打断。

7. 资源使用：

普通函数对资源的使用相对自由。

中断函数应尽量简短，避免使用大量的系统资源，以免影响系统的响应能力。

8. 编写注意事项：

普通函数的编写相对自由，可以根据需要使用各种语言特性。

中断函数在编写时需要特别注意，因为它们需要快速执行并且不能阻塞，还要考虑到与主程序的交互和数据一致性问题。

总的来说，中断函数是一种特殊的函数，它们在系统中扮演着响应硬件和软件事件的角色，而普通函数则是构建程序逻辑和实现功能的基本单元。在嵌入式编程中，合理地使用中断函数对提高系统的效率和实时性至关重要。

三、中断函数的编码注意事项

在编写中断服务程序(ISR)时，需要遵循一些特殊的编码规范和注意事项，以确保系统稳定、高效运行。以下是编写中断函数时应该考虑的一些关键点：

1. 尽量简短：中断服务程序应该尽可能地简短和高效，以便快速完成处理并返回主程序，减少对主程序流程的干扰。

2. 避免使用阻塞调用：中断服务程序中不应该包含可能会导致阻塞的调用，如等待信号量、延时等操作，因为这会影响系统对其他中断的响应能力。

3. 保存和恢复上下文：中断服务程序在执行前应该保存被打断任务的上下文(如CPU寄存器)，并在执行结束后恢复，以保证主程序能够无缝继续执行。

4. 可重入性：如果中断可以嵌套，或者同一个中断服务程序可以由不同的事件触发，那么这个程序必须是可重入的。这意味着它不能使用全局变量或静态变量来保存状态信息，除非这些变量是原子性访问的。

5. 限制中断屏蔽时间：在中断服务程序中，可能需要临时屏蔽(禁用)中断，但是这种屏蔽的时间应该尽可能短，以避免错过其他重要中断的处理。

6. 谨慎操作共享数据：如果中断服务程序需要访问全局变量或其他共享资源，需要确保这些操作的原子性，以防止数据竞争和不一致性。这通常通过禁用中断或使用其他同步机制来实现。

7. 快速响应：中断服务程序应当被设计为能够快速响应新的中断请求，这意味着在处理当前中断的同时，还要准备接收和处理下一个中断。

8. 中断嵌套：在允许中断嵌套的系统中，应当明确各个中断服务程序之间的优先级关系，并合理设计代码，以处理嵌套中断情况。

9. 中断标志清除：在中断服务程序的适当位置清除中断标志位，以避免产生多余的中断。某些单片机可能在中断返回指令执行时自动清除标志位，而某些则需要手动清除。

10. 避免浮点运算：由于浮点运算通常较为耗时，且可能需要额外的上下文保存和恢复操作，因此

在中断服务程序中应避免使用浮点运算。

11. 测试和验证：中断服务程序应该经过彻底的测试，以验证它们在各种情况下的行为，特别是在系统负载高时的表现。

12. 编译器优化：有时候编译器的优化设置可能会影响中断服务程序的正确性，需要确保编译器的优化设置与中断服务程序的编写相兼容。

四、中断使用有什么注意事项

1. 中断优先级设计：合理地分配中断优先级，确保高优先级的中断可以打断低优先级的中断服务程序，以处理更紧急的任务。

2. 中断屏蔽策略：在关键的代码段中，可能需要临时屏蔽中断，以保护代码的原子性操作。但要注意屏蔽时间不宜过长，以免影响系统对中断的响应。

3. 中断触发模式：正确设置中断的触发模式，如边沿触发或电平触发，并确保硬件配置与之匹配。

4. 资源共享与同步：当中断服务程序与主程序共享资源(如数据、外设等)时，需要确保通过适当的同步机制来避免竞态条件和数据不一致。

5. 中断服务程序的编写：中断服务程序应该尽量简短，执行速度要快，避免复杂的逻辑和耗时的操作。

6. 中断嵌套处理：如果系统支持中断嵌套，需要仔细设计中断服务程序，确保在处理一个中断时能够正确响应另一个中断。

7. 中断频率控制：过高的中断频率可能会导致系统负载过重，从而影响系统性能。需要确保系统能够在最坏情况下也能处理所有的中断。

8. 中断禁用与使能：在启动中断前，确保所有相关的硬件和软件准备就绪。在关闭中断后，确保不会遗漏任何重要的事件。

审核编辑：汤梓红