中断处理大师：蓝桥杯单片机中断系统深入讲解


参考资源链接：[蓝桥杯单片机国赛历年真题合集（2011-2021）](https://wenku.csdn.net/doc/5ke723avj8?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 单片机中断系统概述

中断系统是单片机实现高效任务处理的关键技术之一。单片机通过中断系统可以及时响应外部或内部事件，暂停当前执行程序，跳转到特定的服务程序执行，完成后再返回原来的程序继续执行。这种机制大大提高了单片机对环境变化的适应性和系统的实时性。本章将介绍单片机中断系统的基本概念和组成部分，为理解后续章节的深入内容打下基础。

## 1.1 中断系统的基本概念

在计算机系统中，中断是一种机制，允许外部或内部的事件打断处理器正在执行的程序流，并执行一个特殊的代码块，即中断服务程序。这个过程被称为中断处理。中断通常用于处理紧急任务，如外设的数据接收和发送。

## 1.2 中断系统的主要组成部分

单片机中断系统一般包括以下几个主要部分：

- 中断请求（IRQ）：一个或多个信号源，可以是内部也可以是外部设备，用于向CPU发出中断请求。
- 中断控制单元：负责接收中断请求，判断优先级，以及决定是否允许中断。
- 中断服务程序：中断触发时执行的代码序列，用于处理特定的中断事件。

通过本章的介绍，读者将获得单片机中断系统的基础知识，为深入学习中断的高级应用和优化策略奠定坚实基础。

# 2. 中断的基本原理和类型

## 2.1 中断系统的组成和功能

### 2.1.1 中断系统的基本概念
中断系统是单片机乃至各种处理器中不可或缺的组成部分，它允许处理器在执行主程序的过程中响应外部或内部事件。中断的实质是一种特殊的信号，当特定事件发生时，处理器会临时中止当前执行的任务，转而去处理更紧急或更重要的任务。中断提高了程序的效率和响应速度，允许系统同时处理多个任务。

在中断过程中，处理器会保存当前任务的状态信息（如程序计数器PC、程序状态字PSW等），然后跳转到一个预先定义好的中断服务例程（ISR）去执行中断处理。处理完成后，处理器会恢复之前保存的状态信息，继续执行被打断的任务。这种机制使得处理器能够在不同的任务之间快速切换，提高系统整体的性能。

### 2.1.2 中断系统的主要组成部分
一个典型的中断系统通常包括以下主要组成部分：

- **中断源（Interrupt Sources）**：这是触发中断的事件，可以是外部设备（如键盘、鼠标、串口等）或者内部条件（如除零错误、溢出等）。

- **中断控制器（Interrupt Controller）**：中断控制器负责接收中断源发出的中断请求，管理中断请求并决定哪个中断请求先被处理。

- **中断向量表（Interrupt Vector Table）**：中断向量表中存储了中断服务例程的入口地址，当特定中断被触发时，处理器根据向量表找到对应的ISR地址并跳转执行。

- **中断服务例程（Interrupt Service Routines）**：当中断发生时，处理器执行的代码块即为中断服务例程，其主要任务是处理中断事件，并在处理完成后返回。

## 2.2 中断的分类和特点

### 2.2.1 硬件中断与软件中断
中断可以被粗略地分为硬件中断和软件中断两大类：

- **硬件中断**是由外部设备或内部硬件条件引起的中断。硬件中断是异步的，意味着它们可以在任何时间发生，并且通常由中断控制器管理。

- **软件中断**则是在程序执行过程中通过特定的指令产生的中断。软件中断是同步的，只有在特定的指令被CPU执行时才会发生。

### 2.2.2 向量中断与非向量中断
中断还可以根据是否使用中断向量表进行分类：

- **向量中断（Vector Interrupts）**具有唯一的标识符，通过中断向量表指向相应的中断服务例程，使得CPU能够迅速找到并执行对应的ISR。

- **非向量中断（Non-vector Interrupts）**没有特定的标识符，通常需要通过查询或轮询来确定中断源，然后执行相应的处理程序。

### 2.2.3 可屏蔽中断与不可屏蔽中断
中断还可以根据是否可以被暂时忽略进行分类：

- **可屏蔽中断（Maskable Interrupts）**可以被暂时挂起，直到处理器取消屏蔽。通常用于对不那么紧急的任务进行中断处理。

- **不可屏蔽中断（Non-maskable Interrupts, NMI）**无法被屏蔽，一旦触发，处理器必须立即响应。这类中断通常用于处理紧急情况，如电源故障。

## 2.3 中断优先级和嵌套处理

### 2.3.1 中断优先级的概念
在一个多中断源的系统中，可能同时有多个中断请求发生。中断优先级是用于解决多个中断同时请求时的冲突，决定了哪些中断应该被首先处理。通常，中断优先级由中断控制器或操作系统内核进行管理。

中断优先级的设置可以基于多种标准，例如中断源的紧急程度、任务的重要性和实时性需求。在多数系统中，中断优先级可以动态调整，根据实时需求和系统状态进行优化。

### 2.3.2 嵌套中断的工作机制
嵌套中断是一种允许更高优先级的中断打断正在处理的较低优先级中断的技术。在嵌套中断的处理过程中，当一个高优先级中断发生时，当前正在处理的中断服务例程会被暂停，保存当前状态，然后跳转执行高优先级中断的ISR。处理完毕后，再恢复之前中断的状态，继续执行其ISR直到完成。

嵌套中断机制的使用需要谨慎，因为不恰当的嵌套可能导致系统复杂性和调试难度增加。合理使用中断嵌套能够提升系统对紧急任务的处理能力，但同时也要求编程人员对中断的优先级和执行上下文有深入的理解。

> 在实际系统设计和编程实践中，了解中断的分类和特点，合理配置中断优先级和嵌套处理机制，对于编写高效可靠的中断服务程序至关重要。在接下来的章节中，我们将深入探讨中断处理的理论与实践，包括中断响应机制、中断服务程序的编写、中断管理的编程技巧以及中断系统的性能优化策略。

# 3. 中断处理的理论与实践

### 3.1 中断响应和中断服务程序

#### 3.1.1 中断响应机制

中断响应是中断处理中的第一步，它是指当一个外部或内部事件请求中断处理器时，CPU停止当前的任务，保存当前状态，然后跳转到一个预定的中断服务程序去处理该中断请求的过程。

中断响应时间通常由硬件和软件共同决定。硬件部分包括中断信号的检测与确认，以及完成当前指令后进入中断服务程序的跳转。软件部分则是指中断服务程序的入口地址确定与设置。在一些先进的单片机中，中断响应时间可达到几个到十几个时钟周期。

#### 3.1.2 中断服务程序的编写

编写中断服务程序需要遵循特定的规则和最佳实践，以确保系统的稳定性和效率。中断服务程序通常应当尽量简短，快速返回。在程序中应避免复杂的运算和长时间的等待操作。

// 中断服务程序的伪代码示例
void interrupt_handler(void) {
  // 检查中断源
  if (interrupt_source == TIMER_INTERRUPT) {
    // 处理定时器中断
    handle_timer_interrupt();
  } else if (interrupt_source == UART_INTERRUPT) {
    // 处理串口中断
    handle_uart_interrupt();
  }
  // 清除中断标志
  clear_interrupt_flag();
  // 其他必要的处理
  ...
  // 退出中断服务程序前恢复现场
  restore_context();
}

在上述代码中，中断服务程序首先检查中