单片机中断相关知识点

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1.概述
1.1解决什么问题
（1）实时处理：中断技术可以实现对实时事件的快速响应。例如，在控制系统中，各个参数和信息会随时间和现场情况不断变化，这些变化量可以根据需要随时向CPU发出中断请求，请求CPU及时处理，从而实现实时控制。
（2）故障处理：中断技术可以用于处理系统中的故障，如电源掉电、硬件自检出错、运算溢出等。当这些故障发生时，中断系统可以请求CPU及时执行相应的中断服务程序，以防止问题扩大，提高系统的稳定性和可靠性。
（3）分时操作：中断技术可以解决快速的CPU与慢速外设之间的矛盾，使CPU和外设能够同步工作。通过中断，CPU可以在启动外设工作后继续执行主程序，而外设在完成任务后会发出中断请求，CPU则中断当前任务去处理中断服务程序，完成后恢复主程序的执行。这种机制大大提高了CPU的利用率。
（4）异步事件处理：在许多应用场景中，事件的发生是不可预测的，例如用户的按键操作或外部传感器的变化。中断技术可以让CPU在这些异步事件发生时立即作出反应，而不是等待主程序周期性地检查这些事件。
（5）资源利用效率：中断技术通过合理安排任务调度，提高了程序的效率和资源利用率。例如，在多任务环境中，中断可以让单片机在多个任务之间切换，为每个任务分配一定的处理时间，从而提高资源的利用效率。
1.2行业现状
1.2.1应用现状
（1）嵌入式系统：中断机制是嵌入式系统中提升系统效率与响应能力的关键技术。它允许单片机在执行主程序时，能够实时响应外部或内部事件，从而提高系统的实时性和资源利用率。中断技术广泛应用于实时时钟、串口通信、图形渲染、虚拟现实等领域，以确保系统能够快速处理突发事件。
（2）工业控制：在工业控制领域，中断技术用于实时监测与控制，例如通过外部中断处理传感器输入或设备故障，确保系统的稳定性和可靠性。
（3）消费电子产品：中断技术在消费电子产品中用于提高设备的响应速度和稳定性，如按键中断处理、定时任务管理等。
（4）物联网和智能家居：随着物联网设备的增多，中断技术在这些设备中被广泛应用，用于实现低功耗模式切换、动态电源管理等功能，以优化能源利用并满足实时性能需求。
1.2.2发展趋势
（1）硬件和软件优化：未来中断技术将继续朝着硬件和软件双重优化的方向发展。硬件方面，将引入更强大的中断处理能力，如多级中断和快速响应机制；软件方面，将优化中断处理算法，减少延迟，并结合人工智能技术实现更智能化的功能。
（2）异构计算环境下的应用：随着物联网和边缘计算的发展，中断技术将在异构计算平台上构建高效的中断协同机制，实现更精细化和智能化的计时功能。
（3）标准化进程：中断技术的标准化进程也在推进，这将有助于在不同设备和系统间实现更好的兼容性和互操作性。
（4）低功耗设计：在能源受限的应用环境中，低功耗中断唤醒策略将进一步优化，以降低系统能耗并延长设备续航时间。
2.原理分析
2.1中断的流程
（1）中断请求：当外部设备或内部模块发生中断事件时，会产生一个中断请求信号。这个信号通过中断控制器发送至CPU，请求CPU暂停当前正在执行的任务。
（2）中断响应
中断响应的条件包括：中断源有请求、CPU总中断允许（EA=1）、申请中断的中断源的中断允许位为1。
当满足响应条件后，CPU会保护断点，即将程序计数器（PC）的内容压入堆栈，并将程序计数器指向中断向量地址。
（3）中断服务程序执行：CPU跳转到对应的中断服务程序入口地址，执行中断服务程序。在执行过程中，通常需要保护现场，即保存当前使用的寄存器内容到堆栈中。中断服务程序根据具体中断类型进行处理，完成相应的任务。
（4）恢复现场：中断服务程序执行完毕后，需要恢复之前保存的寄存器内容，以便返回到中断发生前的状态。
（5）中断返回：中断返回指令（REti）用于恢复现场并返回到中断发生前的程序继续执行。此时，程序计数器PC从堆栈中弹出，指向中断返回地址，继续执行被打断的主程序。
（6）中断请求撤销：在某些情况下，如串行口中断，需要手动清除中断请求标志位，以避免重复触发中断。
2.2中断优势
（1）提高系统的实时性：中断机制允许系统在异步事件发生时立即响应，从而提高系统的实时性和灵活性。这种快速响应能力对于需要即时处理的任务至关重要，确保了系统的安全性和稳定性。
（2）提高CPU的效率：中断机制使得CPU可以在等待外部操作（如I/O操作）完成时继续执行其他任务，提高了系统的效率和响应速度。通过中断，CPU可以避免持续轮询监测外设状态，节省了处理器的运算能力。
（3）多任务处理能力：中断机制允许系统同时处理多个事件，提高了系统的并发性和整体性能。这使得CPU能够高效地处理多任务，提高了系统的性能。
（4）增强系统的可靠性：中断处理方式能够处理各种异常事件和错误情况，避免了系统崩溃或数据丢失，增强了系统的可靠性。此外，中断还能够及时发现并处理突发故障，如电源掉电、运算溢出等。
（4）灵活性和可扩展性：中断机制可以灵活地处理多个异步事件，并且每个事件都有自己的中断处理程序。通过模块化功能，系统可以更容易地添加、修改或删除特定的中断处理功能。
（5）减少CPU负载：中断机制可以降低CPU的负载，因为它允许CPU在不占用过多的处理器时间的情况下处理异步事件。
2.3中断函数与普通函数的异同
2.3.1相同点
（1）函数形式相似：中断函数和普通函数在形式上非常类似，都可以包含函数名、返回类型和参数列表等基本结构。
（2）执行过程相似：中断响应过程和普通函数调用过程也非常相似，都是通过特定的指令或语句来完成。
2.3.2不同点
（1）调用方式不同：
中断函数：由硬件中断触发，不需要显式调用，当满足中断条件时，硬件会自动跳转到对应的中断服务程序。
普通函数：通过程序中的函数调用语句显式调用。
（2）执行方式不同：
中断函数：执行是不可预测的，因为中断事件的发生是随机的，且中断响应由硬件自动完成。
普通函数：执行是可预测的，由程序控制，按照顺序执行。
（3）参数和返回值：
中断函数：不能传递参数，也没有返回值。如果尝试定义参数或返回值，会导致编译错误。
普通函数：可以有参数和返回值，根据需要进行定义。
（4）寄存器管理：
中断函数：通常需要保存和恢复重要的寄存器状态，以防止在处理中断时影响主程序的正常运行。
普通函数：不需要考虑这些寄存器管理问题，因为它们不会被硬件中断所打断。
（5）调用限制：
中断函数：不能直接调用，只能由硬件中断触发。
普通函数：可以被其他函数或主程序显式调用。
（6）代码结构：
中断函数：通常较为简短，以确保在中断期间尽快完成处理，并避免占用过多CPU时间。
普通函数：可以执行更复杂的任务，并且可以调用其他函数来完成更复杂的操作。
2.4中断使用的注意事项
（1）禁止中断：为了保护关键代码的执行，可以通过设置中断屏蔽位来阻止不必要的中断发生。
（2）中断优先级：对于同时触发的多个中断，应设置优先级，优先处理高优先级的中断，以避免低优先级中断影响程序执行。高优先级中断可以打断低优先级中断，但不能被其他高优先级中断打断。
（3）中断服务程序优化：优化中断服务程序的代码，减少其执行时间，以降低中断对主程序的影响。中断服务函数应尽量简短，避免占用过多时间。
（4）寄存器保护：在编写中断服务程序时，需要保存和恢复寄存器的状态，以防止中断过程中寄存器数据被改变。使用堆栈进行中断现场保护也是一种常见的做法。
（5）中断嵌套：避免中断嵌套可能带来的问题，编写中断程序时需谨慎。对于重要中断，不允许被其他中断所嵌套。
（5）中断标志位管理：在设计中使用多个中断时，应确保所有未使用的中断标志位被清零，以避免潜在的问题。CPU响应中断请求后，该中断的请求标志位应在中断返回前清除，以免重复中断。
（6）串口中断处理：串口中断会暂停主程序执行，建议使用缓冲区存储接收数据，并在主程序中定时处理缓冲区数据，以减轻中断负担。
（7）外部中断配置：外部中断需要设置触发方式和服务函数，并且要指定使用的寄存器组以防止数据被改变。

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