单片机C语言中断与实时系统：深入理解单片机实时响应机制，3个实战案例

# 1. 单片机C语言中断基础**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，它会暂停当前正在执行的程序并跳转到一个特定的函数（称为中断服务程序）来处理该事件。在单片机C语言编程中，中断机制至关重要，因为它允许系统在不中断主程序执行的情况下响应外部事件。

本章将介绍单片机C语言中断的基础知识，包括中断的概念、中断类型、中断服务程序的编写以及中断优先级和嵌套。通过对这些基础知识的理解，读者可以掌握中断机制的使用，为开发更复杂、更可靠的单片机系统奠定基础。

# 2.1 中断服务程序的编写

### 中断服务程序的基本结构

中断服务程序（ISR）是响应中断请求而执行的代码段。其基本结构如下：

void ISR_name() interrupt [interrupt_number]
{
    // 中断处理代码
}

其中：

* `ISR_name`：中断服务程序的名称，由用户自定义。
* `interrupt_number`：中断号，表示中断源。
* `中断处理代码`：响应中断请求时执行的代码。

### 中断服务程序的编写原则

编写中断服务程序时，应遵循以下原则：

* **简洁高效：**中断服务程序应尽可能简洁，避免执行耗时的操作。
* **原子性：**中断服务程序应是原子的，即不可被其他中断打断。
* **保存和恢复寄存器：**中断服务程序应保存和恢复受中断影响的寄存器，以保证程序的正确执行。
* **避免死锁：**中断服务程序中应避免死锁，如等待一个被其他中断锁定的资源。

### 中断服务程序的示例

以下是一个中断服务程序的示例，用于响应定时器 0 中断：

void ISR_Timer0() interrupt 1
{
    // 清除定时器 0 中断标志位
    TF0 = 0;

    // 执行中断处理代码
    // ...
}

在该示例中，中断服务程序 ISR_Timer0() 响应定时器 0 中断（中断号为 1）。它首先清除定时器 0 中断标志位，然后执行中断处理代码。

# 3.1 实时系统的概念和特点

**3.1.1 实时系统的概念**

实时系统是一种计算机系统，其正确性不仅取决于其逻辑功能的正确性，还取决于其对时间约束的满足。换句话说，实时系统必须在指定的时间内对外部事件做出响应，否则将导致系统故障。

**3.1.2 实时系统的特点**

实时系统具有以下几个特点：

- **时间确定性：**实时系统必须能够在指定的时间内对外部事件做出响应，否则将导致系统故障。
- **可靠性：**实时系统必须高度可靠，因为任何故障都可能导致系统故障。
- **并发性：**实时系统通常需要处理多个并发事件，因此必须能够同时处理多个任务。
- **可预测性：**实时系统必须能够预测其行为，以便能够设计出满足时间约束的系统。

### 3.2 实时操作系统的结构和功能

**3.2.1 实时操作系统的结构**

实时操作系统（RTOS）是一种专门为实时系统设计的操作系统。RTOS通常由以下几个组件组成：

- **内核：**内核是RTOS的核心组件，负责管理系统资源和调度任务。
- **任务调度器：**任务调度器负责根据任务的优先级和时间约束调度任务。
- **中断处理程序：**中断处理程序负责处理外部事件并将其转换为任务。
- **内存管理单元：**内存管理单元负责管理系统内存。
- **文件系统：**文件系统负责管理系统文件。

**3.2.2 实时操作系统的功能**

RTOS提供以下功能：

- **任务管理：**RTOS负责创建、管理和调度任务。
- **中断处理：**RTOS负责处理外部事件并将其转换为任务。
- **内存管理：**RTOS负责管理系统内存。
- **文件系统管理：**RTOS负责管理系统文件。
- **通信管理：**RTOS负责管理系统中的通信。

### 3.3 实时任务调度算法

**3.3.1 实时任务调度算法的分类**

实时任务调度算法可分为以下几类：

- **非抢占式调度算法：**非抢占式调度算法不会中断正在运行的任务，直到任务完成或阻塞。
- **抢占式调度算法：**抢占式调度算法可以中断正在运行的任务，以调度具有更高优先级的任务。

**3.3.2 常用的实时任务调度算法**

以下是一些常用的实时任务调度算法：

- **先到先服务（FCFS）：**FCFS是一种非抢占式调度算法，它根据任务到达的时间调度任务。
- **最近最少使用（LRU）：**LRU是一种非抢占式调度算法，它根据任务最近使用的时间调度任务。
- **最短作业优先（SJF）：**SJF是一种抢占式调度算法，它根据任务的执行时间调度任务。
- **最短剩余时间优先（SRTF）：**SRTF是一种抢占式调度算法，它根据任务剩余的执行时间调度任务。
- **速率单调调度（RMS）：**RMS是一种抢占式调度算法，它专门为具有周期性任务的实时系统设计。

# 4. 单片机C语言实时系统实践

### 4.1 实时任务的创建和管理

在实时系统中，任务是执行特定功能的独立实体。任务的创建和管理对于确保系统的实时性至关重要。

**任务创建**

在单片机C语言中，可以通过调用 `os_task_create()` 函数创建任务。该函数需要指定任务的以下属性：

- 任务名称