单片机指令程序设计中的中断处理：原理与应用，掌握实时响应

# 1. 单片机中断处理概述

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事件的请求，及时执行相应的处理程序。

中断处理机制包括中断源、中断向量表、中断服务程序和中断使能寄存器等。中断源可以是外部事件（如外部中断、定时器中断等）或内部事件（如指令执行异常、总线错误等）。中断向量表是一个存储中断服务程序地址的表，当发生中断时，单片机根据中断源的类型，从中断向量表中获取相应的中断服务程序地址，并跳转到该地址执行中断处理程序。

# 2. 单片机中断处理原理

### 2.1 中断的概念和分类

**中断的概念**

中断是一种硬件机制，当系统中发生特定事件时，处理器会暂停当前正在执行的程序，转而执行一个特殊程序（中断服务程序）。中断事件可能是由外部设备（如按钮、传感器）或内部事件（如定时器溢出）触发。

**中断的分类**

中断根据其来源和优先级可以分为以下几类：

* **外部中断：**由外部设备（如按钮、传感器）触发的中断。
* **内部中断：**由内部事件（如定时器溢出、数据传输完成）触发的中断。
* **可屏蔽中断：**可以被处理器屏蔽或禁止的中断。
* **不可屏蔽中断：**不能被处理器屏蔽的中断，通常用于处理紧急事件。
* **优先级中断：**具有不同优先级的中断，当发生多个中断时，处理器会优先执行优先级最高的中断。

### 2.2 中断处理流程

当发生中断事件时，处理器会执行以下步骤：

1. **保存当前程序状态：**处理器将当前程序的程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）和寄存器的内容压入堆栈。
2. **确定中断源：**处理器通过中断向量表确定中断源，即触发中断的设备或事件。
3. **跳转到中断服务程序：**处理器根据中断源跳转到相应的中断服务程序。
4. **执行中断服务程序：**中断服务程序处理中断事件，如读取输入、发送输出或更新数据。
5. **恢复当前程序状态：**中断服务程序执行完毕后，处理器从堆栈中恢复当前程序的状态，并继续执行中断前的程序。

### 2.3 中断服务程序设计

中断服务程序（ISR）是响应中断事件执行的特殊程序。设计 ISR 时应遵循以下原则：

* **简洁高效：**ISR 应尽可能简洁高效，避免执行不必要的操作。
* **原子性：**ISR 应是原子的，即不可被其他中断打断。
* **可重入性：**ISR 应可重入，即可以被多个中断同时调用。
* **保存和恢复寄存器：**ISR 应保存和恢复所有被修改的寄存器，以确保程序状态的一致性。
* **避免死锁：**ISR 应避免死锁，如避免在 ISR 中调用会触发中断的函数。

// 外部中断 0 服务程序
void ISR_EXTI0() {
  // 保存寄存器
  PUSH_REG(R0);
  PUSH_REG(R1);

  // 读取输入
  uint8_t input = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_0);

  // 处理中断事件
  if (input == 1) {
    // 执行操作 1
  } else {
    // 执行操作 2
  }

  // 恢复寄存器
  POP_REG(R1);
  POP_REG(R0);

  // 清除中断标志位
  EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
}

**逻辑分析：**

* ISR_EXTI0() 函数是外部中断 0 的服务程序。
* 函数首先保存寄存器 R0 和 R1，以防止它们被中断事件修改。
* 然后读取 GPIOA 的第 0 个引脚的输入值，并根据输入值执行不同的操作。
* 最后，恢复寄存器 R1 和 R0，并清除中断标志位。

# 3. 单片机中断处理实践

### 3.1 外部中断处理

#### 3.1.1 外部中断的配置和触发

外部中断是单片机通过外部引脚检测外部事件并触发中断响应的一种机制。常见的外部中断源包括按键、开关、传感器等。

外部中断的配置通常涉及以下步骤：

1. **选择中断源：**确定要使用的外部中断引脚。
2. **配置中断类型：**选择中断触发方式，如上升沿触发、下降沿触发或电平触发。
3. **使能中断：**在单片机的中断控制器中使能对应的外部中断。

外部中断的触发方式由中断引脚的电平变化决定。例如，上升沿触发中断会在中断引脚从低电平变为高电平时触发，而下降沿触发中断会在中断引脚从高电平变为低电平时触发。

#### 3.1.2 外部中断服务程序编写

外部中断服务程序是当外部中断触发时执行的一段代码。其主要功能是处理中断事件，并采取适当的响应措施。

外部中断服务程序的编写通常包括以下步骤：

1. **保存寄存器：**保存当前程序执行环境的寄存器值，以备中断处理完成后恢复。
2. **读取中断标志：**读取中断控制器中的中断标志位，确定触发中断的外部中断源。
3. **处理中断事件：**根据触发中断的外部中断源，执行相应的处理操作，如读取按键状态、更新数据等。
4. **清除中断标志：**清除中断控制器的中断标志位，以表明中断已处理完成。
5. **恢复寄存器：**恢复中断处理前保存的寄存器值，返回到中断前的程序执行环境。

### 3.2 定时中断处理

#### 3.2.1 定时器的配置和中断使能

定时中断是单片机通过内部定时器产生周期性中断的一种机制。定时中断可用于实现定时、延时、脉宽调制等功能。

定时器的配置通常涉及以下步骤：

1. **选择定时器：**确定要使用的定时器外设。
2. **设置定时周期：**配置定时器的计数周期，以确定中断发生的频率。
3. **使能中断：**在单片机的中断控制器中使能对应的定时中断。

#### 3.2.2 定时中断服务程序编写

定时中断服务程序是当定时中断触发时执行的一段代码。其主要功能是处理定时事件，并采取适当的响应措施。

定时中断服务程序的编写通常包括以下步骤：

1. **保存寄存器：**保存当前程序执行环境的寄存器值，以备中断处理完成后恢复。
2. **读取中断标志：**读取中断控制器中的中断标志位，确定触发中断的定时器。
3. **处理定时事件：**根据触发中断的定时器，执行相应的处理操作，如更新时间、触发动作等。
4. **清除中断标志：**清除中断控制器的中断标志位，以表明中断已处理完成。
5. **恢复寄存器：**恢复中断处理前保存的寄存器值，返回到中断前的程序执行环境。

# 4. 单片机中断处理应用

中断机制在单片机系统中有着广泛的应用，尤其是在实时控制系统和嵌入式系统中。本章节将介绍中断在这些系统中的典型应用场景。

### 4.1 中断在实时控制系统中的应用

实时控制系统要求系统能够对外部事件快速响应，并及时做出控制决策。中断机制可以很好地满足这一要求。

#### 4.1.1 信号采集和处理

在实时控制系统中，经常需要采集和处理来自传感器或外部设备的信号。中断可以用来在信号到达时立即触发响应，从而确保数据的及时性和准确性。

// 外部中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR = EXTI_PR_PR0;

    // 读取传感器数据
    uint16_t data = ADC->DR;

    // 数据处理
    // ...
}

#### 4.1.2 运动控制

在运动控制系统中，需要对电机或其他执行器进行精密的控制。中断可以用来在特定时刻触发控制动作，从而实现精确的运动控制。

// 定时中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 更新电机控制参数
    // ...

    // 输出控制信号
    // ...
}

### 4.2 中断在嵌入式系统中的应用

嵌入式系统通常需要处理来自不同来源的多种任务，中断机制可以帮助协调这些任务的执行。

#### 4.2.1 数据通信

在嵌入式系统中，经常需要与外部设备进行数据通信。中断可以用来在数据到达时触发通信处理，从而提高数据传输效率。

// UART中断服务程序
void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    USART1->SR &= ~USART_SR_RXNE;

    // 读取接收到的数据
    uint8_t data = USART1->DR;

    // 数据处理
    // ...
}

#### 4.2.2 故障处理

嵌入式系统需要能够处理各种故障情况。中断可以用来在故障发生时触发响应，从而及时采取措施防止系统崩溃。

// 看门狗中断服务程序
void WWDG_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    WWDG->SR = WWDG_SR_EWIF;

    // 故障处理
    // ...

    // 重启系统
    // ...
}

# 5.1 中断嵌套和优先级处理

### 中断嵌套

中断嵌套是指在当前中断服务程序执行过程中，又发生了另一个中断请求的情况。当发生中断嵌套时，系统会暂停当前中断服务程序的执行，转而去处理新的中断请求。处理完新的中断请求后，系统再返回到之前的中断服务程序继续执行。

### 中断优先级

为了处理中断嵌套，单片机通常会为不同的中断源设置优先级。优先级高的中断请求会被优先处理，而优先级低的中断请求会被暂时屏蔽。当优先级高的中断处理完成后，系统才会解除对优先级低的中断请求的屏蔽，并继续处理这些中断请求。

### 中断优先级处理机制

单片机通常采用以下机制来处理中断优先级：

- **固定优先级机制：**每个中断源都有一个固定的优先级，由硬件设计决定。
- **可编程优先级机制：**用户可以通过软件配置每个中断源的优先级。

### 中断优先级设置

中断优先级设置可以通过以下方式进行：

- **硬件配置：**通过跳线、寄存器等硬件方式设置中断优先级。
- **软件配置：**通过编写程序代码设置中断优先级。

### 中断优先级处理示例

以下是一个中断优先级处理的示例：

// 中断服务程序 ISR1
void ISR1() {
  // ISR1 的代码
}

// 中断服务程序 ISR2
void ISR2() {
  // ISR2 的代码
}

// 主函数
int main() {
  // 设置 ISR1 的优先级为高
  set_interrupt_priority(ISR1, HIGH_PRIORITY);

  // 设置 ISR2 的优先级为低
  set_interrupt_priority(ISR2, LOW_PRIORITY);

  // 启用中断
  enable_interrupts();

  // ...
}

在这个示例中，ISR1 的优先级被设置为高，而 ISR2 的优先级被设置为低。当 ISR1 和 ISR2 同时发生中断请求时，ISR1 会被优先处理。

# 6.1 基于中断的LED闪烁程序

**代码块：**

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

// 定义LED引脚
#define LED_PIN PB0

// 中断服务程序
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  // 翻转LED状态
  PORTB ^= (1 << LED_PIN);
}

int main() {
  // 设置LED引脚为输出
  DDRB |= (1 << LED_PIN);

  // 配置定时器1
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS12) | (1 << CS10);
  OCR1A = 15625;

  // 启用定时器1比较匹配A中断
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);

  // 启用全局中断
  sei();

  // 进入死循环
  while (1) {
    // 省略其他代码
  }

  return 0;
}

**代码解释：**

* 中断服务程序`ISR(TIMER1_COMPA_vect)`在定时器1比较匹配A中断发生时被调用。
* 在中断服务程序中，通过`PORTB ^= (1 << LED_PIN)`翻转LED的状态，实现LED闪烁。
* 在`main`函数中，配置定时器1为CTC模式，时钟源为系统时钟的1024分频，比较值OCR1A设置为15625，产生约1Hz的频率。
* 启用定时器1比较匹配A中断并启用全局中断，允许中断响应。

**执行逻辑：**

1. 定时器1每隔1s产生一个比较匹配A中断。
2. 中断服务程序被调用，翻转LED的状态。
3. LED以1Hz的频率闪烁。