快速了解中斷相關(guān)知識(shí)

1.中斷概述

“中斷”就是當(dāng)前的任務(wù)被更緊要的事件打斷。這些事件如不及時(shí)處理可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障：

• 例如，UART收到數(shù)據(jù)后不及時(shí)取走導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失
• 再來一個(gè)更嚴(yán)重的：電源故障中斷不及時(shí)處理導(dǎo)致系統(tǒng)意外關(guān)機(jī)
• 話說回來，并不是所有中斷都必須實(shí)時(shí)響應(yīng)。例如，UART發(fā)送完畢后會(huì)發(fā)中斷通知CPU，但是晚些處理也只是導(dǎo)致吞吐能力降低。

中斷也是一種CPU時(shí)間復(fù)用模型

• CPU暫停當(dāng)前正執(zhí)行的程序（后臺(tái)）并保存反映當(dāng)前CPU處理狀態(tài)的一些寄存器——“中斷現(xiàn)場(chǎng)”(Context)，轉(zhuǎn)而處理待響應(yīng)的事件（前臺(tái)），處理完成后恢復(fù)“現(xiàn)場(chǎng)”并繼續(xù)原先執(zhí)行的程序。
• 因?yàn)镃PU很快，所以看起來像是并行地處理了后臺(tái)與前臺(tái)任務(wù)

中斷的概念源于生活，低于生活：

• 放學(xué)回家做作業(yè)->吃晚飯->接電話->繼續(xù)吃晚飯->吃完晚飯繼續(xù)做作業(yè)
• 其中，“接電話”就是所謂的嵌套中斷

2.中斷響應(yīng)全過程模式圖

3.為什么需要中斷

3.1 對(duì)突發(fā)情況緊急處理 (電話是你正在追的女孩打來的)

3.2 因?yàn)镃PU相對(duì)人來說還是非常快的，實(shí)現(xiàn)宏觀上的并行多任務(wù)。

(你在晚上做了作業(yè)，吃了飯，還接了電話。因?yàn)槟愕囊惶熘皇翘焐?秒，于是玉皇大帝很高興他一眨眼的工夫你已經(jīng)”并行”地做好了三件事)

例如，一邊計(jì)算一邊采集一邊執(zhí)行

3.3 解決CPU與慢速外設(shè)和偶發(fā)事件速度不一致的矛盾(你不用流著口水在廚房等飯熟了)

• CPU平時(shí)可處理其它工作
• 僅當(dāng)事件發(fā)生時(shí)再處理
• 如果沒有中斷系統(tǒng)，CPU需要不停循環(huán)查詢標(biāo)志位/引腳電平，浪費(fèi)大量處理資源

4.常見的使用中斷的場(chǎng)合

4.1 引腳狀態(tài)變化產(chǎn)生中斷，也是常見的“外部中斷”

一般是反映外部產(chǎn)生的事件，例如按鈕按下、片外外設(shè)通知事件等

4.2 通信接口的收到數(shù)據(jù)與發(fā)送完畢中斷

• 一個(gè)數(shù)據(jù)單位發(fā)送完畢時(shí)，產(chǎn)生中斷，通知應(yīng)用邏輯繼續(xù)提供數(shù)據(jù)
  • 進(jìn)一步地，發(fā)送器閑置中斷可使應(yīng)用邏輯更早地注入新數(shù)據(jù)
• 接收器中有數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生中斷，通知應(yīng)用邏輯取走數(shù)據(jù)

4.3 定時(shí)器溢出/倒數(shù)至0時(shí)，產(chǎn)生中斷，通知時(shí)間到

4.4 模擬比較器結(jié)果翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生中斷

4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣完畢時(shí)產(chǎn)生中斷

4.6 其它一些緊急的偶發(fā)事件：

• 沒有及時(shí)喂狗時(shí)的看門狗中斷
• 供電電壓不足產(chǎn)生中斷

5.中斷服務(wù)例程 (ISR, Interrupt Service Routine)

5.1 響應(yīng)中斷時(shí)，CPU將會(huì)例行地調(diào)用一段程序，用以執(zhí)行中斷發(fā)生后需要立即處理的事。這段程序即為“中斷服務(wù)例程”。ISR常見的例行工作包括：清除中斷事件標(biāo)志

• 如果與數(shù)據(jù)有關(guān)，處理數(shù)據(jù)
• 作初步的軟件層面上的處理
• 按需設(shè)置軟件層面上的標(biāo)志位，供后臺(tái)程序進(jìn)一步處理
• 按需訪問硬件寄存器使硬件就緒后續(xù)工作

5.2 ISR因?yàn)榇驍嗔水?dāng)前的工作，所以要盡量短小精焊，只做必須馬上處理的事

• 例外：有些超低功耗的簡(jiǎn)單的系統(tǒng)平時(shí)一直待機(jī)，僅在中斷產(chǎn)生時(shí)喚醒，并且在ISR中處理全部工作，中斷返回就回到待機(jī)狀態(tài)。例如，電池供電的煙霧報(bào)警器，氣溫采集器。

6.中斷延遲

6.1從中斷請(qǐng)求發(fā)起到ISR得到執(zhí)行所花費(fèi)的時(shí)間，稱為中斷延遲

• 現(xiàn)場(chǎng)保存(最少24周期)
• 如果此時(shí)中斷被關(guān)閉(臨界區(qū))，需要待中斷重新打開后才能響應(yīng)
• 如果此時(shí)正在服務(wù)同等或更高優(yōu)先級(jí)的中斷，需待其ISR退出

7.中斷的代價(jià)

7.1 現(xiàn)場(chǎng)需要額外的棧空間來保存：LPC82x需要32字節(jié)保存現(xiàn)場(chǎng)

7.2 現(xiàn)場(chǎng)保存和恢復(fù)需要額外的時(shí)間:LPC82x需要約24周期

7.3 打亂了程序執(zhí)行順序，可能導(dǎo)致錯(cuò)綜復(fù)雜的潛在問題。

• 執(zhí)行流程變得不可預(yù)測(cè)，變數(shù)增加，時(shí)序難保證，故障難復(fù)現(xiàn)。
• 需要保證ISR與其它程序段互斥訪問全局變量，尤其是復(fù)合型全局變量(struct)。如果處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致難以調(diào)試的競(jìng)爭(zhēng)條件，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂的問題
  • 競(jìng)爭(zhēng)條件舉例：假如后臺(tái)程序和ISR都要執(zhí)行”a++;”語句，a初始值為0
    • 后臺(tái)程序讀取a到寄存器，得到0
    • 后臺(tái)程序在寄存器中把0加到1，然后，早不來晚不來，中斷偏偏這個(gè)時(shí)候來了：
      • ISR讀取a到寄存器，也得到0
      • ISR在寄存器中把0加到1
      • ISR把寄存器中的1寫回a，a現(xiàn)在等于1
    • 后臺(tái)程序也把寄存器中的1寫回a，a現(xiàn)在還等于1
  • 看到?jīng)]，執(zhí)行了兩次a++后，a實(shí)際上只被++了一次！

8.臨界區(qū)與需要關(guān)閉中斷的場(chǎng)合

有些場(chǎng)合必須關(guān)中斷，必須在關(guān)中斷時(shí)執(zhí)行的代碼又稱為“臨界區(qū)”(critical section), 有以下典型情況：

8.1 當(dāng)后臺(tái)程序與ISR均要更改同一位置的數(shù)據(jù)時(shí)，要先關(guān)中斷，待改完后再開中斷。否則會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的情況，可能使數(shù)據(jù)紊亂

8.2 當(dāng)后臺(tái)程序與ISR均要操控同一外設(shè)時(shí)，要先關(guān)中斷，待訪問完畢后再開中斷，否則輕則使外設(shè)輸出混疊，重則使外設(shè)功能混亂。

• 例如，后臺(tái)程序和ISR都要使用同一個(gè)UART，后臺(tái)程序要輸出”I love u!”，ISR要輸出”Anna Li”, 若后臺(tái)程序在輸出期間未關(guān)中斷，可能輸出“I love Anna Liu!”
• 又如，在調(diào)用IAP函數(shù)擦寫Flash時(shí)，如果未關(guān)中斷，可能導(dǎo)致擦寫期間又從Flash取指令(ISR的指令)的情況，導(dǎo)致死機(jī)

8.3 當(dāng)控制對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求的器件時(shí)，需要關(guān)中斷以保證確定性

8.4 以上注意事項(xiàng)也適用于低優(yōu)先級(jí)ISR與高優(yōu)先級(jí)ISR之間。

8.5 使用RTOS時(shí)，多任務(wù)的調(diào)度修改了中斷的返回地址，使得以上注意事項(xiàng)擴(kuò)展到RTOS管理的任務(wù)間。

9.臨界區(qū)未關(guān)中斷的示意效果演示

10.Cortex-M0+上中斷系統(tǒng)的增強(qiáng)功能

10.1 自動(dòng)保存和恢復(fù)共計(jì)32字節(jié)的中斷現(xiàn)場(chǎng) (8個(gè)CPU寄存器)

• 當(dāng)前RAM和Flash的內(nèi)容則不屬于“現(xiàn)場(chǎng)”
  • 事實(shí)上，它們不是CPU的組成部分

10.2 使用普通的函數(shù)調(diào)用方式返回，不需要專用的返回指令

10.3 自帶中斷控制器NVIC管理外設(shè)和外部中斷。

10.4 因?yàn)橐陨系膬?yōu)點(diǎn)，中斷處理無需使用匯編，也無需使用特殊的編譯器擴(kuò)展功能，寫法和普通的程序相同

• 這并不意味著ISR變成普通程序了，中斷處理的注意事項(xiàng)仍需遵守。