单片机程序设计架构与中断处理：掌握机制与应用，保障程序稳定性

# 1. 单片机程序设计架构概述**

单片机程序设计架构是单片机系统软件设计的核心，它决定了程序的组织结构、执行流程和资源分配。常见的单片机程序设计架构包括：

* **线性结构：**程序代码和数据按顺序存储在内存中，执行时依次执行。
* **模块化结构：**程序被划分为多个模块，每个模块负责特定功能，通过函数调用实现模块间交互。
* **事件驱动结构：**程序根据外部事件或中断触发执行，事件处理程序负责处理特定事件。

# 2. 中断处理机制

### 2.1 中断的概念和分类

**概念：**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，会暂停正在执行的程序，转而去执行中断服务程序（ISR）。中断事件可以是外部触发（如外部中断），也可以是内部触发（如定时器溢出）。

**分类：**

根据触发方式，中断可分为：

- **外部中断：**由外部设备或信号触发，如按键按下、传感器检测到变化等。
- **内部中断：**由单片机内部模块触发，如定时器溢出、ADC转换完成等。

### 2.2 中断处理流程

当发生中断事件时，单片机会执行以下流程：

1. **保存现场：**保存当前程序的寄存器值和程序计数器（PC）到堆栈中。
2. **跳转到中断向量表：**根据中断事件的类型，跳转到中断向量表中对应的中断服务程序入口地址。
3. **执行中断服务程序：**执行中断服务程序，处理中断事件。
4. **恢复现场：**从堆栈中恢复寄存器值和PC，返回到中断前的程序。

### 2.3 中断优先级和嵌套

**中断优先级：**

单片机通常支持多级中断，每个中断事件都有一个优先级。当多个中断事件同时发生时，优先级更高的中断会被优先处理。

**中断嵌套：**

中断嵌套是指在处理一个中断事件时，又发生了另一个中断事件。单片机可以支持中断嵌套，但嵌套层数有限。

**代码块：**

// 中断服务程序
void ISR() {
  // 保存现场
  PUSH_REG(R0);
  PUSH_REG(R1);
  PUSH_REG(PC);

  // 跳转到中断向量表
  JMP(INT_VECTOR_TABLE[INT_NUM]);

  // 恢复现场
  POP_REG(PC);
  POP_REG(R1);
  POP_REG(R0);
}

**逻辑分析：**

* `PUSH_REG(R0)`：将寄存器R0的值压入堆栈。
* `PUSH_REG(R1)`：将寄存器R1的值压入堆栈。
* `PUSH_REG(PC)`：将程序计数器（PC）的值压入堆栈。
* `JMP(INT_VECTOR_TABLE[INT_NUM])`：跳转到中断向量表中对应中断事件的入口地址。
* `POP_REG(PC)`：从堆栈中恢复PC的值，返回到中断前的程序。
* `POP_REG(R1)`：从堆栈中恢复R1的值。
* `POP_REG(R0)`：从堆栈中恢复R0的值。

**参数说明：**

* `INT_VECTOR_TABLE`：中断向量表。
* `INT_NUM`：中断事件的编号。

# 3. 中断处理实践

### 3.1 中断服务程序的编写

中断服务程序（ISR）是响应中断请求而执行的代码段。编写 ISR 时，需要遵循以下原则：

- **简洁性：**ISR 应尽可能简洁，只包含处理中断所需的基本操作。
- **效率性：**ISR 应尽可能高效，避免执行不必要的操作。
- **原子性：**ISR 应是原子的，即不可中断。

编写 ISR 的一般步骤如下：

1. **保存寄存器：**保存 ISR 执行前 CPU 的寄存器值，以防止 ISR 中的操作覆盖这些值。
2. **处理中断请求：**执行中断请求的处理逻辑，例如读取中断标志位、清除中断请求。
3. **执行中断服务：**执行中断服务程序的业务逻辑，例如处理数据、更新状态。
4. **恢复寄存器：**恢复 ISR 执行前保存的寄存器值。
5. **返回：**返回到中断发生前的程序执行点。

### 3.2 中断处理中的常见问题

在中断处理中，可能会遇到以下常见问题：

- **中断丢失：**当中断请求发生时，CPU 正在执行其他任务，导致中断请求被丢失。
- **中断嵌套：**在 ISR 执行期间，又发生了一个新的中断请求。
- **中断优先级冲突：**多个中断请求同时发生，导致优先级较低的中断请求被优先级较高的中断请求抢