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C语言中中断机制详解：从基本概念到实际应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言中中断机制详解：从基本概念到实际应用

引用

来源

https://docs.pingcode.com/baike/1238784

C语言中的中断机制是嵌入式系统开发中的核心技术之一，它允许硬件设备在需要时通知处理器进行处理，而无需处理器不断地轮询设备状态。本文将详细介绍中断的基本概念、触发机制、配置方法以及实际应用，帮助读者全面理解这一重要机制。

C语言中，中断是通过硬件或软件的特定事件触发的，这些事件包括外部硬件信号、定时器溢出、I/O操作完成等。中断的处理通常涉及设置中断向量表、定义中断服务程序（ISR）、配置中断控制寄存器。
定义中断服务程序（ISR）是中断处理的核心，它是一个专门用来处理中断的函数，当中断发生时，系统会自动调用这个函数。定义ISR时需要特别注意以下几点：
2. ISR的快速响应和完成：因为ISR执行期间通常会禁用其他中断，所以ISR应尽可能简短，以免影响系统的实时性。
4. 保存和恢复上下文：在进入ISR时，系统需要保存当前CPU的状态（寄存器值等），在ISR执行完毕后恢复这些状态，以确保系统能够继续正常运行。

一、中断的基本概念

中断是计算机系统中一种重要的机制，它允许硬件设备在需要时通知处理器进行处理，而无需处理器不断地轮询设备状态。中断的基本概念包括中断源、中断向量、中断服务程序（ISR）和中断控制器等。

1、中断源

中断源是指产生中断信号的硬件或软件事件。常见的中断源包括：

外部硬件中断：例如键盘按键、鼠标点击、网络数据包到达等。
定时器中断：例如定时器溢出、定时器比较匹配等。
I/O操作中断：例如硬盘读写完成、中断传输完成等。
软件中断：通过软件指令触发的中断，如系统调用。

2、中断向量

中断向量是一个特殊的存储区域，用于存储不同中断源对应的中断服务程序（ISR）的地址。当中断发生时，处理器根据中断向量找到对应的ISR并进行处理。

3、中断服务程序（ISR）

中断服务程序（ISR）是一个专门用来处理中断的函数。当中断发生时，处理器会自动调用对应的ISR进行处理。ISR的执行需要尽可能快，以免影响系统的实时性。

4、中断控制器

中断控制器是用于管理和控制中断信号的硬件设备。它负责接收中断信号、确定优先级、生成中断请求并将其发送给处理器。

二、中断的触发机制

中断的触发机制可以分为硬件触发和软件触发两种方式。硬件触发通常由外部设备或定时器产生，而软件触发则是通过特定的指令来触发中断。

1、硬件触发中断

硬件触发中断是由外部设备或定时器等硬件事件产生的。当硬件设备需要处理器进行处理时，会产生一个中断信号发送给中断控制器。中断控制器收到中断信号后，会生成中断请求并发送给处理器。处理器接收到中断请求后，会停止当前执行的任务，保存当前的执行上下文，跳转到对应的ISR进行处理。

2、软件触发中断

软件触发中断是通过特定的指令来触发中断的。在C语言中，可以使用
asm
关键字插入汇编指令来触发中断。例如，在x86架构上，可以使用
int
指令来触发中断：

  
asm("int $0x80");

这条指令会触发中断向量表中第0x80号中断，对应的ISR会被调用进行处理。

三、配置中断向量表

中断向量表是一个特殊的存储区域，用于存储不同中断源对应的中断服务程序（ISR）的地址。在系统初始化时，需要将各个中断源对应的ISR地址写入中断向量表。

1、定义ISR

在C语言中，可以使用特定的关键字或宏来定义ISR。例如，在AVR微控制器上，可以使用
ISR
宏来定义ISR：

  
#include <avr/interrupt.h>
  
ISR(TIMER1_OVF_vect) {  
    // 定时器1溢出中断处理代码  
}

在ARM Cortex-M系列微控制器上，可以使用
attribute((interrupt))
属性来定义ISR：

  
void __attribute__((interrupt)) Timer1_ISR(void) {
  
    // 定时器1中断处理代码  
}

2、配置中断向量表

在系统初始化时，需要将各个中断源对应的ISR地址写入中断向量表。具体的配置方式依赖于处理器架构和开发环境。在AVR微控制器上，中断向量表通常由编译器自动生成。在ARM Cortex-M系列微控制器上，可以通过修改链接脚本或使用特定的库函数来配置中断向量表。

四、中断的使能与屏蔽

在处理器中，中断可以被使能或屏蔽。使能中断表示允许处理器响应中断请求，屏蔽中断表示暂时忽略中断请求。通常在系统初始化时会使能必要的中断，并在需要时临时屏蔽某些中断。

1、使能中断

在AVR微控制器上，可以使用
sei
指令使能全局中断：

  
sei();

在ARM Cortex-M系列微控制器上，可以使用
__enable_irq
函数使能全局中断：

  
__enable_irq();

2、屏蔽中断

在AVR微控制器上，可以使用
cli
指令屏蔽全局中断：

  
cli();

在ARM Cortex-M系列微控制器上，可以使用
__disable_irq
函数屏蔽全局中断：

  
__disable_irq();

五、中断优先级和嵌套

在多中断源系统中，不同中断源可能具有不同的优先级。当多个中断源同时产生中断时，处理器会根据中断优先级来决定处理哪个中断。中断优先级的配置依赖于中断控制器。

1、中断优先级

在ARM Cortex-M系列微控制器上，中断优先级可以通过NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）来配置。NVIC提供了一组寄存器，用于设置各个中断源的优先级。例如，可以通过以下代码设置定时器1中断的优先级：

  
NVIC_SetPriority(TIM1_IRQn, 1);

该函数将定时器1中断的优先级设置为1，优先级数值越小，优先级越高。

2、中断嵌套

中断嵌套是指在一个中断服务程序（ISR）执行过程中，另一个更高优先级的中断发生并打断当前ISR的执行。中断嵌套需要处理器和中断控制器支持。ARM Cortex-M系列微控制器支持中断嵌套，处理器在进入ISR时会自动保存上下文，并在嵌套中断发生时处理更高优先级的中断。

六、中断上下文切换

在进入中断服务程序（ISR）时，处理器需要保存当前的执行上下文，以便在ISR执行完毕后恢复原有的执行状态。这包括保存寄存器值、堆栈指针、程序计数器等。

1、保存上下文

在进入ISR时，处理器会自动保存部分寄存器的值，并将当前的程序计数器（PC）和堆栈指针（SP）压入堆栈。某些处理器还需要手动保存其他寄存器的值，以确保ISR执行过程中不会破坏原有的执行状态。

2、恢复上下文

在ISR执行完毕后，处理器会从堆栈中恢复保存的寄存器值、程序计数器和堆栈指针，以恢复原有的执行状态。某些处理器还需要手动恢复其他寄存器的值。

七、中断处理中的注意事项

在编写中断服务程序（ISR）时，需要注意以下几点，以确保系统的稳定性和实时性：

1、ISR应尽可能简短

ISR的执行期间通常会禁用其他中断，因此ISR应尽可能简短，以免影响系统的实时性。复杂的处理应尽量放在主循环或任务中进行。

2、避免使用阻塞操作

在ISR中应避免使用阻塞操作，如延时、等待等。这会导致ISR执行时间过长，影响系统的实时性。

3、保护共享数据

在ISR和主循环或其他任务之间共享数据时，应使用互斥锁或禁用中断等机制，防止数据竞争和不一致。

八、中断调试与测试

中断的调试与测试相对复杂，需要使用特定的调试工具和方法，以确保中断处理的正确性和稳定性。

1、使用断点调试

在开发环境中，可以使用断点调试工具，在ISR中设置断点，逐步调试中断处理过程。需要注意的是，在某些处理器上，断点调试可能会影响中断的实时性。

2、使用日志和监视工具

在ISR中可以使用日志记录和监视工具，记录中断发生的时间、次数和处理结果等信息。通过分析日志和监视数据，可以发现和定位中断处理中的问题。

3、进行压力测试

在开发过程中，应进行压力测试，模拟高频率中断和多中断源同时触发的场景，以验证中断处理的稳定性和性能。

九、实际案例分析

为了更好地理解中断的触发和处理机制，我们来看一个实际的案例。假设我们使用STM32微控制器，通过外部按键触发中断，点亮LED。

1、硬件配置

在STM32开发板上，连接一个按键到外部中断引脚（如PA0），连接一个LED到GPIO引脚（如PC13）。

2、代码实现

在C语言中实现按键中断处理，点亮LED的代码如下：

  
#include "stm32f10x.h"
  
// 初始化GPIO  
void GPIO_Init(void) {  
    // 使能GPIOA和GPIOC时钟  
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);  
    // 配置PA0为输入模式  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
    // 配置PC13为输出模式  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);  
}  
// 初始化外部中断  
void EXTI_Init(void) {  
    // 使能AFIO时钟  
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  
    // 配置PA0为外部中断引脚  
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);  
    // 配置EXTI Line0  
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;  
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;  
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;  
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;  
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);  
    // 使能EXTI0中断  
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
}  
// EXTI0中断服务程序  
void EXTI0_IRQHandler(void) {  
    // 检查中断标志位  
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {  
        // 切换LED状态  
        GPIOC->ODR ^= GPIO_Pin_13;  
        // 清除中断标志位  
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);  
    }  
}  
int main(void) {  
    // 初始化GPIO  
    GPIO_Init();  
    // 初始化外部中断  
    EXTI_Init();  
    while (1) {  
        // 主循环  
    }  
}