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《深入探究中断服务函数的执行时机与注意要点》
中断服务函数执行时机
(一)中断源触发时
1、外部中断
- 当外部设备(如按键、传感器等)产生特定的电平变化或者边沿触发信号时,会触发相应的外部中断,一个按键按下,从高电平变为低电平,如果配置为下降沿触发的外部中断,那么在这个电平转换瞬间,硬件电路会检测到这个变化并通知处理器,处理器在完成当前指令或者在合适的指令周期间隙,会暂停当前正在执行的主程序流程,转而执行对应的外部中断服务函数。
- 以一个基于微控制器的门禁系统为例,当门禁读卡器检测到有效的射频卡信号时,会产生一个外部中断信号,这个信号会立即引起处理器的注意,中断服务函数可能会进行读取卡信息、验证身份等操作。
2、定时器中断
- 定时器按照预先设置的计数模式(如向上计数、向下计数等)和计数周期进行计数,当定时器的计数值达到设定的阈值时,就会触发定时器中断,在一个实时时钟应用中,定时器被设置为每秒产生一次中断,当定时器内部的计数器从0计数到指定的数值(这个数值根据系统时钟频率和所需的定时周期计算得出)时,就会触发定时器中断服务函数,这个函数可能会更新系统的时钟显示、执行周期性的数据采集任务等。
3、内部其他中断源
- 像一些微控制器内部的通信模块(如UART、SPI等)在数据传输完成、接收缓冲区满或者发生传输错误等情况下也会产生中断,以UART通信为例,当接收缓冲区接收到一帧完整的数据时,会触发接收完成中断,中断服务函数会被执行,用于读取接收到的数据并进行相应的处理,如解析数据内容、将数据存储到指定的缓冲区等。
(二)中断优先级与嵌套时
1、中断优先级判定
- 现代的微处理器通常支持多个中断源,并且可以为这些中断源设置不同的优先级,当多个中断源同时请求中断时,处理器会根据中断优先级来决定先执行哪个中断服务函数,高优先级的中断会优先得到处理,即使低优先级的中断已经在执行过程中,在一个工业控制系统中,可能存在温度监测中断(优先级较低)和紧急故障报警中断(优先级较高),如果在温度监测中断服务函数执行期间,紧急故障报警中断被触发,处理器会暂停温度监测中断服务函数的执行,转而执行紧急故障报警中断服务函数。
2、中断嵌套
- 在允许中断嵌套的系统中,高优先级的中断服务函数可以在低优先级中断服务函数执行期间被触发并执行,需要注意的是,在进行中断嵌套时,要确保系统的栈空间足够,以避免栈溢出,因为每次进入一个中断服务函数,系统都会在栈中保存当前的上下文(如寄存器的值等),如果嵌套层次过多,栈空间可能会耗尽。
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中断服务函数需要注意的要点
(一)执行时间限制
1、避免长时间占用
- 中断服务函数应该尽可能快速地执行完毕,因为在中断服务函数执行期间,主程序是被暂停的,如果中断服务函数执行时间过长,可能会导致主程序中的一些实时性要求较高的任务(如数据采集、控制信号输出等)不能按时执行,在一个音频播放系统中,如果中断服务函数(如定时器中断用于产生音频采样频率)执行时间过长,可能会导致音频播放出现卡顿现象,对于一些实时性要求极高的系统,中断服务函数的执行时间可能需要控制在微秒甚至纳秒级别。
2、防止饿死其他中断
- 如果一个中断服务函数执行时间过长,可能会导致其他低优先级的中断得不到及时处理,即出现“饿死”现象,在一个多任务系统中,有多个不同优先级的中断源,如果高优先级的中断服务函数持续执行很长时间,低优先级的中断源即使不断产生中断请求,也无法得到执行机会,这可能会影响整个系统的稳定性和功能性。
(二)资源共享与互斥
1、共享资源访问
- 在多任务系统中,可能存在多个任务或者中断服务函数共享某些资源(如全局变量、硬件寄存器等)的情况,当中断服务函数访问这些共享资源时,必须要谨慎处理,主程序和中断服务函数都可能会对一个用于存储系统状态的全局变量进行读写操作,如果没有适当的保护机制,可能会导致数据不一致的问题。
2、互斥操作
- 为了确保共享资源的正确访问,可以采用互斥机制,使用信号量或者锁来保护共享资源,在中断服务函数访问共享资源之前,先获取相应的锁或信号量,如果此时资源已经被其他任务或中断占用,则等待直到资源可用,这样可以避免多个任务或中断同时对共享资源进行操作而导致的数据错误。
(三)中断向量表与初始化
1、中断向量表设置
- 中断向量表是存储各个中断服务函数入口地址的表格,正确设置中断向量表是确保中断服务函数能够被正确调用的关键,不同的微处理器对于中断向量表的结构和设置方式可能有所不同,在系统初始化时,需要将每个中断源对应的中断服务函数的入口地址正确地填充到中断向量表中,在一些ARM架构的微控制器中,中断向量表通常位于特定的内存地址区域,需要通过特定的汇编指令或者编译器提供的初始化函数来设置中断向量表中的各个入口地址。
2、中断初始化过程
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- 除了设置中断向量表,还需要对每个中断源进行初始化,这包括设置中断的触发方式(如边沿触发还是电平触发)、中断的优先级等,对于一个外部中断引脚,需要通过相关的寄存器设置其为上升沿触发还是下降沿触发,以及设置其在整个中断系统中的优先级,如果初始化设置错误,可能会导致中断无法正常触发或者出现中断冲突等问题。
(四)可重入性
1、可重入性概念
- 可重入性是指一个函数可以被多个任务或者中断在同一时间或者不同时间重复调用而不会产生错误的特性,对于中断服务函数来说,可重入性是一个需要考虑的重要因素,如果一个中断服务函数不可重入,而在其执行过程中又被再次调用(可能由于中断嵌套等原因),可能会导致程序运行错误,一个中断服务函数内部使用了静态局部变量来保存中间结果,如果这个函数不可重入,当它再次被调用时,上次保存的中间结果可能会被错误地覆盖或者使用,从而导致计算结果错误。
2、编写可重入的中断服务函数
- 要编写可重入的中断服务函数,可以避免使用全局变量或者静态局部变量(如果必须使用,要采取适当的保护措施),并且确保函数内部的操作是原子性的(即操作不可被中断),可以使用局部变量来代替全局变量,并且对于一些关键的操作(如对共享资源的访问),可以通过关闭中断(在允许的情况下)或者使用互斥机制来确保操作的原子性。
(五)与主程序的协调
1、数据交互
- 中断服务函数和主程序之间可能需要进行数据交互,中断服务函数可能会采集到一些数据(如传感器数据),需要将这些数据传递给主程序进行进一步的处理,这种数据交互可以通过共享缓冲区来实现,在进行数据交互时,要注意数据的一致性和同步性,中断服务函数在向共享缓冲区写入数据时,主程序可能正在读取该缓冲区的数据,需要通过适当的机制(如标志位)来确保主程序读取到正确的数据。
2、状态同步
- 除了数据交互,中断服务函数和主程序之间还需要进行状态同步,主程序可能会设置一些系统状态标志位,而中断服务函数需要根据这些标志位来执行相应的操作,反之,中断服务函数也可能会改变某些状态标志位,主程序需要及时获取这些状态的变化,如果状态同步出现问题,可能会导致系统的逻辑错误,主程序根据一个错误的状态标志位判断系统处于空闲状态而执行了某些操作,而实际上系统可能正在进行其他关键任务。
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