单片机C语言程序设计中的中断处理与实时性

# 1. 单片机C语言程序设计概述**

单片机C语言程序设计是利用C语言对单片机进行编程的一种方法。它具有代码简洁、可移植性强、易于维护等优点。本章将介绍单片机C语言程序设计的特点、开发流程和基本语法。

单片机C语言程序设计主要用于嵌入式系统开发，其特点包括：

* **资源受限：**单片机具有有限的存储空间和计算能力，因此程序设计需要考虑资源优化。
* **实时性要求：**嵌入式系统通常需要对外部事件做出快速响应，因此程序设计需要考虑实时性。
* **低功耗：**嵌入式系统通常需要长时间运行，因此程序设计需要考虑功耗优化。

# 2. 中断处理理论与实践**

**2.1 中断的基本概念和分类**

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专门的处理程序。中断通常用于处理外部事件，例如来自外围设备的输入或错误条件。

中断可以分为两类：

- **可屏蔽中断：**可以由软件禁用或屏蔽。
- **不可屏蔽中断：**不能被软件禁用或屏蔽。

**2.2 中断处理机制**

中断处理机制涉及以下步骤：

**2.2.1 中断向量表**

中断向量表是一个存储中断服务程序地址的表格。当发生中断时，处理器会根据中断号查找中断向量表中的相应地址，并跳转到该地址。

**2.2.2 中断服务程序**

中断服务程序 (ISR) 是一个处理中断的函数。ISR 负责执行以下任务：

- 保存当前程序状态
- 处理中断事件
- 恢复程序状态

**2.3 中断处理的优先级和嵌套**

中断可以具有不同的优先级。当发生多个中断时，具有较高优先级的中断会优先处理。中断还可以嵌套，这意味着一个中断可以在另一个中断处理期间发生。

**2.4 中断处理的常见问题和解决方法**

中断处理中常见的两个问题是：

- **中断丢失：**当中断发生时，处理器正在执行一个高优先级中断，导致低优先级中断丢失。
- **中断嵌套错误：**当一个中断在另一个中断处理期间发生，并且嵌套级别不受控制时。

解决这些问题的常见方法包括：

- **中断优先级管理：**为中断分配适当的优先级以防止中断丢失。
- **中断嵌套控制：**限制中断嵌套级别以防止嵌套错误。

# 3.1 实时系统的概念和特点

**概念**

实时系统是一种计算机系统，其正确性不仅取决于计算结果的逻辑正确性，还取决于结果产生的时间是否满足特定的时间约束。实时系统主要用于控制和监测物理世界中的事件，其响应时间通常在毫秒或微秒级别。

**特点**

实时系统具有以下特点：

- **时间约束性：**实时系统必须在指定的时间内完成任务，否则将导致系统故障。
- **可靠性：**实时系统必须高度可靠，以确保关键任务的正常运行。
- **可预测性：**实时系统必须具有可预测的响应时间，以满足应用程序的时序要求。
- **并发性：**实时系统通常需要处理多个并发事件，因此需要支持并发编程。
- **嵌入性：**实时系统通常嵌入在设备或系统中，与物理世界直接交互。

### 3.2 实时性度量指标

为了评估实时系统的性能，通常使用以下度量指标：

- **响应时间：**系统从收到事件到产生响应所需的时间。
- **截止时间：**任务必须完成的最后期限。
- **失效率：**任务未能在截止时间内完成的概率。
- **抖动：**任务响应时间的不一致性。
- **确定性：**系统保证任务在指定时间内完成的程度。

### 3.3 实时性优化技术

为了提高实时系统的性能，可以采用以下优化技术：

#### 3.3.1