单片机中断处理：从原理到实战，掌握应对突发事件的技巧

# 1. 中断处理概述

中断处理是单片机系统中一种重要的机制，它允许单片机在执行主程序时响应外部事件或内部请求。中断处理机制可以提高单片机的响应速度和处理效率，广泛应用于各种嵌入式系统中。

中断处理的原理是当发生中断事件时，单片机会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。中断服务程序执行完毕后，单片机再返回到中断发生前正在执行的程序继续执行。

# 2. 中断处理机制

### 2.1 中断源和中断向量表

**中断源**

中断源是触发中断事件的硬件或软件事件。常见的中断源包括：

- 外部中断：来自外部设备（如按钮、传感器）的信号
- 定时器中断：当计时器达到预设值时触发
- 串口中断：当串口收到或发送数据时触发

**中断向量表**

中断向量表是一个存储在特定内存地址的表，其中包含每个中断源对应的中断服务程序（ISR）的地址。当发生中断时，处理器会根据中断源的ID从中断向量表中获取ISR的地址并跳转到ISR执行。

### 2.2 中断响应过程

当发生中断时，处理器会执行以下步骤：

1. **保存当前状态：**处理器会保存当前程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）和寄存器的内容。
2. **跳转到ISR：**处理器根据中断源的ID从中断向量表中获取ISR的地址并跳转到ISR执行。
3. **执行ISR：**ISR会处理中断事件，例如读取输入、更新状态或执行其他操作。
4. **恢复状态：**ISR执行完成后，处理器会恢复之前保存的状态，包括PC、PSW和寄存器的内容，并继续执行中断前的程序。

### 2.3 中断优先级和嵌套

**中断优先级**

中断优先级决定了当多个中断同时发生时，哪个中断会被优先处理。优先级较高的中断会打断优先级较低的中断。

**中断嵌套**

中断嵌套允许高优先级中断打断低优先级中断。当高优先级中断发生时，当前正在执行的低优先级中断会被暂停，直到高优先级中断处理完成后才继续执行。

**代码块：中断优先级设置**

// 设置中断优先级
NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority);

// 参数说明：
// IRQn：中断源的ID
// priority：中断优先级（0-255，0为最高优先级）

// 逻辑分析：
// 该函数设置指定中断源的优先级。优先级较高的中断会打断优先级较低的中断。

**mermaid流程图：中断响应过程**

sequenceDiagram
participant Processor
participant Interrupt Source
Processor->Interrupt Source: Interrupt Triggered
Interrupt Source->Processor: Send Interrupt Signal
Processor->Processor: Save Current State
Processor->Processor: Jump to ISR
Processor->Processor: Execute ISR
Processor->Processor: Restore State
Processor->Processor: Continue Execution

# 3.1 中断初始化和配置

在单片机系统中，中断处理需要进行初始化和配置，以确保中断能够正常响应和处理。中断初始化和配置主要包括以下几个步骤：

#### 1. 中断源使能

中断源使能是中断处理的关键步骤，它决定了哪些中断源能够触发中断响应。不同的单片机芯片具有不同的中断源，如外部中断、定时器中断、串口中断等。中断源使能通常通过设置中断控制器中的相应寄存器来实现。

例如，在 STM32 系列单片机中，中断控制器寄存器 NVIC_ISERx 用于使能中断源。其中，x 表示中断源所在的寄存器组，每个寄存器组包含 32 个中断源。要使能中断源，需要将对应中断源的位设置为 1。

// 使能外部中断 0
NVIC_ISER0 |= (1 << NVIC_IRQ_EXTI0);

#### 2. 中断优先级设置

中断优先级设置决定了当多个中断同时发生时，哪个中断优先响应。单片机芯片通常支持多级中断优先级，如高优先级、中优先级和低优先级。中断优先级设置通常通过设置中断控制器中的相应寄存器来实现。

例如，在 STM32 系列单片机中，中断控制器寄存器 NVIC_IPRx 用于设置中断优先级。其中，x 表示中断源所在的寄存器组，每个寄存器组包含 4 个中断优先级寄存器。要设置中断优先级，需要将对应中断源的优先级位设置为 0（最高优先级）到 15（最低优先级）。

// 设置外部中断 0 为最高优先级
NVIC_IPRx |= (0 << NVIC_IRQ_EXTI0_PRIORITY);

#### 3. 中断向量表配置

中断向量表是存储中断服务函数地址的表。当中断发生时，单片机根据中断向量表中的地址跳转到相应的中断服务函数。中断向量表通常位于单片机芯片的固定地址，由编译器或链接器自动生成。

在某些情况下，需要对中断向量表进行配置，例如当使用自定义的中断服务函数时。中断向量表配置通常通过设置中断控制器中的相应寄存器来实现。

例如，在 STM32 系列单片机中，中断控制器寄存器 NVIC_VTOR 用于配置中断向量表。要配置中断向量表，需要将中断向量表的起始地址写入 NVIC_VTOR 寄存器。

// 配置中断向量表起始地址为 0x1000
NVIC_VTOR = 0x1000;

通过以上步骤的中断初始化和配置，单片机系统可以正确响应和处理中断，为后续的中断编程实践奠定基础。

# 4. 中断处理优化

### 4.1 中断响应时间优化

中断响应时间是指从中断发生到中断服务函数开始执行的时间间隔。对于实时系统来说，中断响应时间至关重要，因为延迟的响应可能会导致系统故障或数据丢失。

优化中断响应时间的方法包括：

- **减少中断处理时间：**中断服务函数应尽可能精简，只执行必要的任务。避免在中断服务函数中进行耗时的操作，如内存分配或文件系统访问。
- **提高中断优先级：**对于关键任务，可以将中断优先级设置为较高，以确保它们在其他中断之前得到处理。
- **使用中断嵌套：**中断嵌套允许高优先级中断打断低优先级中断。这可以确保关键任务在任何时候都能得到及时处理。
- **优化中断向量表：**中断向量表是存储中断服务函数地址的表。通过优化中断向量表，可以减少中断响应时间。例如，将最常用的中断服务函数放在中断向量表的开头。

### 4.2 中断处理效率优化

中断处理效率是指中断服务函数执行任务的效率。优化中断处理效率的方法包括：

- **使用局部变量：**在中断服务函数中，应尽量使用局部变量，而不是全局变量。这可以减少内存访问时间，提高中断处理效率。
- **避免使用浮点运算：**浮点运算比整数运算慢得多。在中断服务函数中，应尽量避免使用浮点运算。
- **优化代码：**中断服务函数的代码应经过优化，以提高执行效率。例如，使用循环展开、内联函数和汇编代码。

### 4.3 中断处理稳定性优化

中断处理稳定性是指中断处理系统能够可靠地处理中断，而不发生故障或数据丢失。优化中断处理稳定性的方法包括：

- **使用中断屏蔽：**在处理中断时，应使用中断屏蔽来防止其他中断打断当前中断的处理。
- **使用看门狗定时器：**看门狗定时器可以检测中断服务函数是否执行超时。如果中断服务函数超时，看门狗定时器将复位系统，以确保系统不会陷入死锁。
- **进行错误处理：**中断服务函数应包含错误处理代码，以处理中断处理过程中可能发生的错误。例如，如果中断服务函数无法访问所需的资源，应记录错误并采取适当的措施。

# 5. 中断处理实战应用**

**5.1 外部中断处理**

外部中断是单片机响应外部事件的一种重要方式。当外部中断源发生变化时，单片机会触发中断请求，并执行相应的中断服务函数。

**5.1.1 外部中断初始化**

外部中断的初始化需要配置中断源和中断优先级。以下代码展示了外部中断初始化的步骤：

// 初始化外部中断源
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

// 配置中断优先级
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

**5.1.2 外部中断服务函数**

外部中断服务函数在外部中断发生时执行。以下代码展示了外部中断服务函数的编写：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

**5.2 定时器中断处理**

定时器中断是单片机定时功能的重要组成部分。当定时器达到预设值时，单片机会触发中断请求，并执行相应的中断服务函数。

**5.2.1 定时器中断初始化**

定时器中断的初始化需要配置定时器参数和中断优先级。以下代码展示了定时器中断初始化的步骤：

// 初始化定时器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8400;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

// 配置中断优先级
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

**5.2.2 定时器中断服务函数**

定时器中断服务函数在定时器达到预设值时执行。以下代码展示了定时器中断服务函数的编写：

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

**5.3 串口中断处理**

串口中断是单片机与外部设备通信的重要方式。当串口接收或发送数据时，单片机会触发中断请求，并执行相应的中断服务函数。

**5.3.1 串口中断初始化**

串口中断的初始化需要配置串口参数和中断优先级。以下代码展示了串口中断初始化的步骤：

// 初始化串口
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

// 配置中断优先级
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

**5.3.2 串口中断服务函数**

串口中断服务函数在串口接收或发送数据时执行。以下代码展示了串口中断服务函数的编写：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 判断中断类型
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        // 接收中断处理
        // ...
    }
    else if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET)
    {
        // 发送中断处理
        // ...
    }

    // 清除中断标志位
    USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_TXE);
}

# 6. 中断处理高级技巧

### 6.1 中断向量表重映射

**简介**

中断向量表是存储中断服务函数地址的数组。默认情况下，中断向量表位于固定的内存地址。但是，在某些情况下，可能需要将中断向量表重映射到不同的内存地址。

**步骤**

1. 定义一个新的中断向量表数组。
2. 将中断服务函数的地址存储到新的中断向量表中。
3. 修改中断控制器寄存器，以指向新的中断向量表。

**代码示例**

// 定义新的中断向量表
const uint32_t new_vector_table[] = {
    (uint32_t)isr_timer0,
    (uint32_t)isr_timer1,
    (uint32_t)isr_uart0,
    // ...
};

// 修改中断控制器寄存器
SCB->VTOR = (uint32_t)new_vector_table;

### 6.2 中断服务函数的优化

**简介**

中断服务函数（ISR）在中断发生时执行。优化 ISR 可以提高中断响应时间和处理效率。

**优化技巧**

* **保持 ISR 简短：** ISR 应该只执行必需的任务。
* **避免使用全局变量：** 全局变量的访问可能会导致竞争条件。
* **使用内联汇编：** 内联汇编可以优化关键代码段。
* **使用 DMA：** DMA 可以减少 CPU 开销。

**代码示例**

// 使用内联汇编优化 ISR
__attribute__((naked)) void isr_timer0(void) {
    __asm volatile("push {r0-r3, lr}");
    // ...
    __asm volatile("pop {r0-r3, pc}");
}

### 6.3 中断处理中的故障处理

**简介**

中断处理中可能发生故障，例如：

* ISR 执行时间过长。
* ISR 访问无效内存。
* ISR 导致系统死锁。

**故障处理技巧**

* **使用看门狗定时器：** 看门狗定时器可以检测 ISR 执行时间过长。
* **使用异常处理：** 异常处理可以捕获无效内存访问等错误。
* **使用故障记录器：** 故障记录器可以记录故障信息，以便进行调试。

**代码示例**

// 使用看门狗定时器检测 ISR 执行时间过长
WDT->LOAD = 0x10000;
WDT->MODE = WDT_MODE_RESET;
WDT->CNT = 0x10000;