快速了解中断相关知识

1.中断概述

“中断”就是当前的任务被更紧要的事件打断。这些事件如不及时处理可能导致系统故障：

例如，UART收到数据后不及时取走导致数据丢失
再来一个更严重的：电源故障中断不及时处理导致系统意外关机
话说回来，并不是所有中断都必须实时响应。例如，UART发送完毕后会发中断通知CPU，但是晚些处理也只是导致吞吐能力降低。

中断也是一种CPU时间复用模型

CPU暂停当前正执行的程序（后台）并保存反映当前CPU处理状态的一些寄存器——“中断现场”(Context)，转而处理待响应的事件（前台），处理完成后恢复“现场”并继续原先执行的程序。
因为CPU很快，所以看起来像是并行地处理了后台与前台任务

中断的概念源于生活，低于生活：

放学回家做作业->吃晚饭->接电话->继续吃晚饭->吃完晚饭继续做作业
其中，“接电话”就是所谓的嵌套中断

2.中断响应全过程模式图

3.为什么需要中断

3.1 对突发情况紧急处理 (电话是你正在追的女孩打来的)

3.2 因为CPU相对人来说还是非常快的，实现宏观上的并行多任务。

(你在晚上做了作业，吃了饭，还接了电话。因为你的一天只是天上1秒，于是玉皇大帝很高兴他一眨眼的工夫你已经”并行”地做好了三件事)

例如，一边计算一边采集一边执行

3.3 解决CPU与慢速外设和偶发事件速度不一致的矛盾(你不用流着口水在厨房等饭熟了)

CPU平时可处理其它工作
仅当事件发生时再处理
如果没有中断系统，CPU需要不停循环查询标志位/引脚电平，浪费大量处理资源

4.常见的使用中断的场合

4.1 引脚状态变化产生中断，也是常见的“外部中断”

一般是反映外部产生的事件，例如按钮按下、片外外设通知事件等

4.2 通信接口的收到数据与发送完毕中断

一个数据单位发送完毕时，产生中断，通知应用逻辑继续提供数据
- 进一步地，发送器闲置中断可使应用逻辑更早地注入新数据
接收器中有数据时，产生中断，通知应用逻辑取走数据

4.3 定时器溢出/倒数至0时，产生中断，通知时间到

4.4 模拟比较器结果翻转时产生中断

4.5 模数转换器采样完毕时产生中断

4.6 其它一些紧急的偶发事件：

没有及时喂狗时的看门狗中断
供电电压不足产生中断

5.中断服务例程 (ISR, Interrupt Service Routine)

5.1 响应中断时，CPU将会例行地调用一段程序，用以执行中断发生后需要立即处理的事。这段程序即为“中断服务例程”。ISR常见的例行工作包括：清除中断事件标志

如果与数据有关，处理数据
作初步的软件层面上的处理
按需设置软件层面上的标志位，供后台程序进一步处理
按需访问硬件寄存器使硬件就绪后续工作

5.2 ISR因为打断了当前的工作，所以要尽量短小精焊，只做必须马上处理的事

例外：有些超低功耗的简单的系统平时一直待机，仅在中断产生时唤醒，并且在ISR中处理全部工作，中断返回就回到待机状态。例如，电池供电的烟雾报警器，气温采集器。

6.中断延迟

6.1从中断请求发起到ISR得到执行所花费的时间，称为中断延迟

现场保存(最少24周期)
如果此时中断被关闭(临界区)，需要待中断重新打开后才能响应
如果此时正在服务同等或更高优先级的中断，需待其ISR退出

7.中断的代价

7.1 现场需要额外的栈空间来保存：LPC82x需要32字节保存现场

7.2 现场保存和恢复需要额外的时间:LPC82x需要约24周期

7.3 打乱了程序执行顺序，可能导致错综复杂的潜在问题。

执行流程变得不可预测，变数增加，时序难保证，故障难复现。
需要保证ISR与其它程序段互斥访问全局变量，尤其是复合型全局变量(struct)。如果处理不当会导致难以调试的竞争条件，可能导致数据紊乱的问题
- 竞争条件举例：假如后台程序和ISR都要执行”a++;”语句，a初始值为0
  - 后台程序读取a到寄存器，得到0
  - 后台程序在寄存器中把0加到1，然后，早不来晚不来，中断偏偏这个时候来了：
    - ISR读取a到寄存器，也得到0
    - ISR在寄存器中把0加到1
    - ISR把寄存器中的1写回a，a现在等于1
  - 后台程序也把寄存器中的1写回a，a现在还等于1
- 看到没，执行了两次a++后，a实际上只被++了一次！

8.临界区与需要关闭中断的场合

有些场合必须关中断，必须在关中断时执行的代码又称为“临界区”(critical section), 有以下典型情况：

8.1 当后台程序与ISR均要更改同一位置的数据时，要先关中断，待改完后再开中断。否则会导致竞争冒险的情况，可能使数据紊乱

8.2 当后台程序与ISR均要操控同一外设时，要先关中断，待访问完毕后再开中断，否则轻则使外设输出混叠，重则使外设功能混乱。

例如，后台程序和ISR都要使用同一个UART，后台程序要输出”I love u!”，ISR要输出”Anna Li”, 若后台程序在输出期间未关中断，可能输出“I love Anna Liu!”
又如，在调用IAP函数擦写Flash时，如果未关中断，可能导致擦写期间又从Flash取指令(ISR的指令)的情况，导致死机

8.3 当控制对时序有严格要求的器件时，需要关中断以保证确定性

8.4 以上注意事项也适用于低优先级ISR与高优先级ISR之间。

8.5 使用RTOS时，多任务的调度修改了中断的返回地址，使得以上注意事项扩展到RTOS管理的任务间。

9.临界区未关中断的示意效果演示

10.Cortex-M0+上中断系统的增强功能

10.1 自动保存和恢复共计32字节的中断现场 (8个CPU寄存器)

当前RAM和Flash的内容则不属于“现场”
- 事实上，它们不是CPU的组成部分

10.2 使用普通的函数调用方式返回，不需要专用的返回指令

10.3 自带中断控制器NVIC管理外设和外部中断。

10.4 因为以上的优点，中断处理无需使用汇编，也无需使用特殊的编译器扩展功能，写法和普通的程序相同

这并不意味着ISR变成普通程序了，中断处理的注意事项仍需遵守。