中断在单片机系统中的原理与实践

# 1. 中断概述

## 1.1 中断的基本概念
中断是计算机系统中的一种机制，它能够在程序执行期间暂停当前任务，转而处理更高优先级的事件。通过中断，计算机可以实现响应外部事件、处理异常情况和执行特定任务等功能。中断的基本概念包括中断请求、中断处理和中断向量等。

## 1.2 中断在单片机系统中的作用
在单片机系统中，中断被广泛应用于各种实时任务的处理。通过中断，可以及时响应外设的输入信号，实现外设的及时控制和数据采集。同时，中断也可以用于处理系统异常、实现定时任务和多任务处理等功能。

## 1.3 中断与程序执行的关系
中断与程序执行是相互关联的。当中断发生时，当前正在执行的程序会被暂停，并保存其执行现场的相关信息。然后，系统会根据中断类型跳转到相应的中断服务程序，并执行特定的操作。当中断服务程序执行完毕后，会恢复之前被暂停的程序，并继续执行下去。

总结：第一章节主要介绍了中断的基本概念、在单片机系统中的作用以及中断与程序执行的关系。中断作为计算机系统中的重要机制，能够提供实时响应，处理异常情况和实现特定任务的功能。

# 2. 中断的工作原理

### 2.1 中断请求的产生与传输

中断请求是由外部设备发送给CPU的信号，用于通知CPU有需要处理的事件发生。当外部设备需要CPU的处理时，会发送一个中断请求信号给CPU，CPU收到中断请求后会立即停止当前的任务，保存现场，并跳转到相应的中断服务程序执行，待中断服务程序执行完毕后，再回到原先的任务继续执行。

中断请求的传输可以通过多种方式实现，常见的有两种方式：
- 硬件中断：外部设备通过硬件电路直接发送中断请求信号给CPU中断引脚，使CPU能够快速地响应和处理中断请求。
- 软件中断：外部设备通过向特定的中断向量地址写入数据，通过软件触发中断请求。CPU在执行指令时会不断去检测中断向量地址上的数据，如果检测到有数据，就会响应中断请求。

### 2.2 中断向量与中断服务程序

中断向量是一个指向中断服务程序的地址。当CPU接收到中断请求后，会根据中断请求的类型找到对应的中断向量，并跳转到指向的中断服务程序开始执行。每个中断请求都有一个唯一的中断向量与之对应。

中断服务程序是用来处理特定中断请求的代码，当CPU跳转到中断服务程序时，会执行相应的处理逻辑。不同的中断请求可能会有不同的中断服务程序，用于处理不同的事件。

### 2.3 中断控制器的工作原理

中断控制器是用来管理和分发中断请求的硬件设备。它可以将多个外部设备的中断请求集中起来，通过优先级或者其他策略来决定哪个中断请求优先处理。一般情况下，中断控制器会有一个中断向量表，用于存储每个中断请求对应的中断向量地址。

中断控制器在接收到中断请求后，会根据设定的优先级进行排序，并将优先级最高的中断请求发送给CPU，其他中断请求则被暂时屏蔽，直到CPU完成当前中断的处理。中断控制器也可以对中断请求进行屏蔽或者延时处理，以防止过多的中断请求对系统性能产生影响。

# 3. 中断的编程实践

在本章中，我们将学习如何在实际编程中使用中断。我们将介绍中断向量表的编写、中断服务程序的编写，以及中断优先级与嵌套中断的处理。

### 3.1 中断向量表的编写

中断向量表是一个存储中断处理程序入口地址的数据结构。在编程中，我们需要将每个中断事件与相应的中断服务程序建立映射关系，并将其存储在中断向量表中。

# Python 示例
# 定义中断向量表，以字典形式存储中断号与中断服务程序的映射关系
interrupt_vector_table = {
    0: handle_interrupt0,
    1: handle_interrupt1,
    2: handle_interrupt2,
    # ... 更多中断号与对应处理程序的映射
}

# 在初始化过程中加载中断向量表
def init_interrupt():
    for interrupt_num, handler in interrupt_vector_table.items():
        load_interrupt_handler(interrupt_num, handler)

### 3.2 中断服务程序的编写

中断服务程序是