单片机程序设计中的异常处理：应对异常情况，保障程序稳定运行

# 1. 单片机程序设计中的异常处理概述

异常处理是单片机程序设计中必不可少的机制，它用于处理程序执行过程中发生的意外事件，保证系统的稳定性和可靠性。异常事件可能由内部故障（如硬件故障、数据错误）或外部干扰（如中断请求）引起。异常处理机制通过中断向量表和异常处理程序将异常事件转化为可控的流程，从而避免系统崩溃或数据丢失。

# 2. 异常处理的理论基础

### 2.1 异常的分类和来源

异常是指在程序执行过程中发生的意外事件，它会破坏程序的正常执行流程。异常可以分为以下两类：

#### 2.1.1 内部异常

内部异常是由处理器本身产生的，通常是由以下原因引起的：

- **算术运算异常：**例如除以零、溢出或下溢。
- **存储器访问异常：**例如访问非法地址或保护违规。
- **指令执行异常：**例如执行未定义的指令或非法操作码。

#### 2.1.2 外部异常

外部异常是由外部设备或事件触发的，通常是由以下原因引起的：

- **中断异常：**例如外部设备请求服务或发生外部事件。
- **复位异常：**例如系统复位或电源故障。
- **陷阱异常：**例如调试器或仿真器发出的请求。

### 2.2 异常处理机制

异常处理机制旨在检测和处理异常，以确保程序的稳定性和可靠性。它包括以下两个主要组件：

#### 2.2.1 异常中断向量表

异常中断向量表是一个包含异常处理程序地址的特殊内存区域。当发生异常时，处理器会根据异常类型跳转到相应的异常处理程序。

#### 2.2.2 异常处理程序

异常处理程序是处理特定异常的代码段。它负责以下任务：

- **保存异常上下文：**保存异常发生时的程序状态，包括寄存器值和程序计数器。
- **分析异常原因：**确定异常的类型和来源。
- **采取适当的措施：**根据异常类型采取适当的措施，例如修复错误、重新启动程序或通知用户。
- **恢复程序执行：**在处理完异常后，恢复程序的正常执行。

异常处理机制是一个复杂的过程，涉及处理器硬件、固件和软件的协同工作。通过理解异常的分类、来源和处理机制，可以有效地编写健壮且可靠的单片机程序。

# 3.1 中断异常处理

#### 3.1.1 中断异常的种类和优先级

中断异常是指由外部事件或内部事件触发，导致程序执行流程发生改变的异常。单片机中常见的中断异常包括：

- **外部中断异常：**由外部设备或信号引发的中断，如外部中断引脚、定时器中断、串口中断等。
- **内部中断异常：**由内部事件引发的中断，如看门狗定时器中断、电源故障中断、存储器异常等。

中断异常的优先级决定了中断处理的顺序。优先级高的中断异常会优先得到处理，优先级低的异常会被暂时搁置。单片机的中断异常优先级一般由硬件设计决定，可以通过查看单片机的技术文档获取具体信息。

#### 3.1.2 中断异常处理程序的编写

中断异常处理程序是响应特定中断异常而执行的一段代码。编写中断异常处理程序时，需要遵循以下步骤：

1. **保存现场：**中断发生时，需要保存当前程序执行上下文，包括程序计数器、寄存器等。
2. **处理中断：**根据中断异常的类型，执行相应的处理逻辑，如读取外部设备数据、处理定时器事件等。
3. **恢复现场：**中断处理完成后，恢复之前保存的程序执行上下文，继续执行中断前的代码。