C语言单片机中断编程实战指南：掌握中断处理技巧，提升系统效率

# 1. 单片机中断基础**

单片机中断是一种硬件机制，允许外部事件或内部事件打断当前正在执行的程序，并跳转到特定的中断服务程序（ISR）中执行。中断机制对于实时系统至关重要，它可以确保系统对外部事件或内部事件及时响应。

单片机中断系统主要由中断向量表、中断优先级和中断使能/禁止位组成。中断向量表存储了每个中断源对应的ISR地址，当发生中断时，单片机会根据中断源自动跳转到相应的ISR中。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。中断使能/禁止位控制中断的使能或禁止状态，可以动态地控制中断的响应。

# 2. 中断处理技术

### 2.1 中断向量表和中断服务程序

**中断向量表**

中断向量表是一个存储中断服务程序入口地址的数组。当发生中断时，CPU 会根据中断号从中断向量表中获取中断服务程序的入口地址，并跳转到该地址执行中断服务程序。

**中断服务程序**

中断服务程序是响应特定中断而执行的一段代码。当发生中断时，CPU 会执行中断服务程序，中断服务程序负责处理中断事件并恢复系统状态。

### 2.2 中断优先级和嵌套中断

**中断优先级**

中断优先级用于确定当多个中断同时发生时，哪个中断应该优先处理。具有更高优先级的中断会优先处理，而具有较低优先级的中断会被暂时屏蔽。

**嵌套中断**

嵌套中断是指在中断服务程序执行期间又发生了一个中断。嵌套中断允许系统处理更紧急的中断，而不会丢失正在处理的中断。

### 2.3 中断使能和禁止

**中断使能**

中断使能允许 CPU 响应中断。当中断使能时，CPU 会根据中断向量表执行中断服务程序。

**中断禁止**

中断禁止阻止 CPU 响应中断。当中断禁止时，CPU 会忽略所有中断请求，直到中断使能被重新打开。

#### 代码块示例

// 中断向量表
const void * const interrupt_vector_table[] = {
    // 中断0
    &interrupt0_handler,
    // 中断1
    &interrupt1_handler,
    // ...
};

// 中断服务程序
void interrupt0_handler() {
    // 处理中断0事件
}

// 中断使能
void enable_interrupts() {
    __asm__("sei");
}

// 中断禁止
void disable_interrupts() {
    __asm__("cli");
}

#### 逻辑分析和参数说明

**中断向量表**

* `interrupt_vector_table`：中断向量表数组。
* `&interrupt0_handler`：中断0服务程序的入口地址。

**中断服务程序**

* `interrupt0_handler`：中断0服务程序。

**中断使能**

* `enable_interrupts`：中断使能函数。
* `__asm__("sei")`：汇编指令，使能中断。

**中断禁止**

* `disable_interrupts`：中断禁止函数。
* `__asm__("cli")`：汇编指令，禁止中断。

# 3.1 外部中断编程

#### 3.1.1 中断初始化

外部中断的初始化主要包括中断引脚配置、中断触发方式选择、中断优先级设置等步骤。

**中断引脚配置**

// 设置 PA0 引脚为外部中断引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

**中断触发方式选择**

// 设置 PA0 引脚为上升沿触发中断
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_Init(&EXTI_InitStructure);

**中断优先级设置**

// 设置外部中断 0 的优先级为 2
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

#### 3.1.2 中断服务程序编写

中断服务程序是外部中断触发后执行的代码段，主要负责处理中断事件。

// 外部中断 0 的中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

    // 执行中断处理代码
    // ...
}

### 3.2 定时器中断编程

#### 3.2.1 定时器中断初始化

定时器中断的初始化主要包括定时器配置、中断使能等步骤。

**定时器配置**

// 设置 TIM2 为向上计数模式，时钟源为内部时钟，计数频率为 1 kHz
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

**中断使能**

// 使能 TIM2 的更新中断
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

#### 3.2.2 定时器中断服务程序编写

定时器中断服务程序是定时器中断触发后执行的代码段，主要负责处理定时器事件。

// TIM2 的中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);

    // 执行中断处理代码
    // ...
}

# 4. 中断优化技巧

### 4.1 中断响应时间优化

#### 4.1.1 中断处理程序优化

- **减少中断处理程序中的代码量：**中断处理程序应尽可能精简，只包含处理中断源所需的必要代码。
- **避免使用阻塞函数：**阻塞函数会阻止中断处理程序响应其他中断，导致中断响应时间增加。
- **使用中断嵌套：**如果需要在中断处理程序中处理另一个中断，可以使用中断嵌套机制，允许一个中断处理程序中断另一个中断处理程序。

#### 4.1.2 中断优先级优化

- **合理设置中断优先级：**根据中断源的重要性设置中断优先级，确保关键中断具有更高的优先级。
- **使用优先级分组：**将具有相同优先级的中断分组，并使用嵌套中断机制处理分组内的中断。
- **避免使用固定优先级：**动态调整中断优先级，根据系统状态和中断源的紧急程度进行优化。

### 4.2 中断处理效率优化

#### 4.2.1 中断服务程序中的数据处理优化

- **使用DMA（直接内存访问）：**DMA可以将数据从外设直接传输到内存，减少中断处理程序中的数据传输时间。
- **使用缓冲区：**使用缓冲区存储数据，避免在中断处理程序中频繁访问慢速外设。
- **优化数据结构：**使用高效的数据结构，例如链表或队列，减少数据查找和处理时间。

#### 4.2.2 中断处理程序中的代码优化

- **使用内联函数：**将频繁调用的函数内联到中断处理程序中，减少函数调用开销。
- **使用汇编代码：**在关键部分使用汇编代码，提高代码执行效率。
- **优化循环：**优化中断处理程序中的循环，使用高效的循环结构和避免不必要的循环迭代。

# 5.1 中断驱动编程

### 5.1.1 中断驱动程序设计

中断驱动程序是一种特殊类型的设备驱动程序，它负责处理特定设备产生的中断。中断驱动程序通常包含以下几个关键组件：

- **中断服务程序 (ISR)：** ISR 是在设备产生中断时执行的代码。它负责确定中断源，执行必要的服务例程，然后清除中断标志。
- **设备寄存器接口：** 驱动程序使用设备寄存器接口来访问和控制设备的寄存器。这包括读取和写入寄存器值，以及设置和清除位。
- **数据结构：** 驱动程序使用数据结构来存储有关设备状态的信息，例如设备配置、中断标志和数据缓冲区。

### 5.1.2 中断驱动程序实现

中断驱动程序的实现通常涉及以下步骤：

1. **初始化：** 在系统启动时或设备连接时，驱动程序初始化设备寄存器，设置中断向量表，并启用中断。
2. **中断处理：** 当设备产生中断时，ISR 会执行。ISR 确定中断源，执行必要的服务例程，然后清除中断标志。
3. **服务例程：** 服务例程是 ISR 中执行的代码，它负责处理设备的特定请求或事件。例如，对于串口驱动程序，服务例程可能会处理接收到的字符或发送字符。
4. **数据传输：** 驱动程序使用设备寄存器接口从设备传输数据到系统内存，或从系统内存传输数据到设备。
5. **中断清除：** ISR 完成处理后，它会清除中断标志，以便系统可以处理其他中断。

**示例代码：**

// 中断驱动程序示例

// 中断服务程序
void ISR_Handler() {
    // 确定中断源
    uint8_t interrupt_source = GetInterruptSource();

    // 执行服务例程
    switch (interrupt_source) {
        case INTERRUPT_SOURCE_UART:
            UART_ServiceRoutine();
            break;
        case INTERRUPT_SOURCE_TIMER:
            TIMER_ServiceRoutine();
            break;
        default:
            break;
    }

    // 清除中断标志
    ClearInterruptFlag();
}

// 设备寄存器接口
void SetRegister(uint8_t register_address, uint8_t value) {
    // 设置设备寄存器值
}

uint8_t GetRegister(uint8_t register_address) {
    // 获取设备寄存器值
}

// 数据结构
typedef struct {
    uint8_t device_status;
    uint8_t interrupt_flags;
    uint8_t data_buffer[100];
} DeviceData;

DeviceData device_data;