對(duì)于單片機(jī)中斷的詳細(xì)解析

單片機(jī)CPU在處理某一事件A時(shí)，發(fā)生了另一事件B請(qǐng)求CPU迅速去處理（中斷發(fā)生）；CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理事件B（中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)）；待CPU將事件B處理完畢后，再回到原來(lái)事件A被中斷的地方繼續(xù)處理事件A（中斷返回），這一過(guò)程稱(chēng)為中斷。

例如

當(dāng)你正在洗衣時(shí)，突然手機(jī)響了（中斷發(fā)生），你暫時(shí)中斷洗衣的工作，轉(zhuǎn)去接電話（中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)），待你接完后，再回來(lái)繼續(xù)洗衣（中斷返回），這一過(guò)程就是中斷。

單片機(jī)中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷兩大類(lèi)，外部中斷由單片機(jī)外部設(shè)備產(chǎn)生，中斷產(chǎn)生后通過(guò)單片機(jī)的外部管腳傳遞給單片機(jī)，傳遞這個(gè)中斷信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法就是規(guī)定單片機(jī)的管腳在什么狀態(tài)下有外部中斷產(chǎn)生，這樣單片機(jī)通常是有一個(gè)或多個(gè)IO口當(dāng)在輸入狀態(tài)時(shí)可以用來(lái)檢測(cè)外部中斷信號(hào)。有外部中斷產(chǎn)生的條件通常也就是這五種：IO口輸入為高、IO口輸入為低、IO口輸入由高變?yōu)榈?、IO口輸入由低變?yōu)楦摺O口輸入由高變低或者由低變高。一個(gè)連接到單片機(jī)的外部設(shè)備，如果想要使用單片機(jī)的外部中斷，就必須在自己請(qǐng)求單片機(jī)中斷響應(yīng)的時(shí)候給單片機(jī)提供單片機(jī)在這五種信號(hào)中所支持的類(lèi)型來(lái)觸發(fā)單片機(jī)中斷。程序運(yùn)轉(zhuǎn)中，一個(gè)中斷不是只產(chǎn)生一次，一般都會(huì)間隔持續(xù)產(chǎn)生，這五種外部中斷觸發(fā)信號(hào)前四種都有一個(gè)問(wèn)題，就是外設(shè)發(fā)出請(qǐng)求中斷信號(hào)后如果信號(hào)請(qǐng)求線狀態(tài)不改變，外設(shè)會(huì)無(wú)法向單片機(jī)提供下一次中斷請(qǐng)求信號(hào)。讓我們來(lái)看看以單片機(jī)和外部設(shè)備采用負(fù)跳變觸發(fā)中斷為例的觸發(fā)情況。外部設(shè)備以負(fù)跳變觸發(fā)單片機(jī)中斷，第一次中斷請(qǐng)求外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求輸出腳可以從高變低，觸發(fā)單片機(jī)中斷，第一次中斷請(qǐng)求發(fā)生后中斷請(qǐng)求腳保持輸出低，外部設(shè)備無(wú)法產(chǎn)生第二次中斷的觸發(fā)負(fù)跳變信號(hào)。

圖1 外設(shè)只能產(chǎn)生一次中斷請(qǐng)求信號(hào)示意圖將外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求信號(hào)做出修改，原來(lái)為需要中斷時(shí)只是輸出從高到低變化，現(xiàn)在改為輸出先從高變到低，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間后自己從低變回高，這樣就可以每次需要中斷時(shí)都能向單片機(jī)輸出負(fù)跳變觸發(fā)信號(hào)。

圖2 外設(shè)可連續(xù)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)示意圖一或者是由外部設(shè)備提供某種接口，單片機(jī)通過(guò)該接口可以對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行中斷清除操作，中斷清除操作可以讓外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求輸出腳恢復(fù)到高。
圖3 外設(shè)可連續(xù)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)示意圖二外部中斷觸發(fā)還有一些特殊方式，比如外部脈沖寬度測(cè)量、外部脈沖計(jì)數(shù)等，這些方式都是在前面幾種基本觸發(fā)方式上進(jìn)行功能擴(kuò)展得來(lái)的，外部脈沖寬度測(cè)量就是當(dāng)中斷信號(hào)線跳變時(shí)會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部一個(gè)計(jì)時(shí)器，到下一次中斷信號(hào)線跳變時(shí)通過(guò)計(jì)時(shí)器得到脈沖寬度并重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，這些方式很少會(huì)使用到，不做詳述。內(nèi)部中斷是指單片機(jī)內(nèi)部的功能模塊產(chǎn)生中斷信號(hào)，只要是單片機(jī)內(nèi)部在CPU外圍能獨(dú)立工作的功能模塊都會(huì)提供中斷功能，常見(jiàn)的內(nèi)部中斷類(lèi)型有時(shí)鐘Timer、串口UART、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC等。內(nèi)部中斷的工作流程和外部中斷沒(méi)太多區(qū)別，只是中斷請(qǐng)求信號(hào)是在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行傳輸，中斷信號(hào)不是管腳上的電平狀態(tài)，而是一個(gè)寄存器里面的相應(yīng)標(biāo)志位，通常當(dāng)某個(gè)內(nèi)部中斷產(chǎn)生中斷請(qǐng)求時(shí)就會(huì)將相應(yīng)標(biāo)志位置為1，CPU響應(yīng)中斷時(shí)將這個(gè)標(biāo)志位清0。
圖4 內(nèi)部中斷觸發(fā)示意圖單片機(jī)對(duì)中斷標(biāo)志位的處理方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體的約定方法要看單片機(jī)文檔。大部分是標(biāo)志位為1有中斷產(chǎn)生，但有少數(shù)單片機(jī)是標(biāo)志位為0有中斷產(chǎn)生；有的單片機(jī)對(duì)中斷標(biāo)志位是CPU寫(xiě)入什么就是給改寫(xiě)成什么，有的則是規(guī)定必須通過(guò)寫(xiě)1或?qū)?來(lái)實(shí)現(xiàn)清除操作，還有少數(shù)只要讀一下中斷標(biāo)志位就會(huì)自動(dòng)清除掉該標(biāo)志位。如果單片機(jī)不想被外部中斷觸發(fā)，大不了將用于連接外部中斷觸發(fā)信號(hào)的管腳接成不會(huì)觸發(fā)中斷的電壓狀態(tài)就可以，但內(nèi)部中斷無(wú)法去改變內(nèi)部連線，所以單片機(jī)為了可以選擇中斷是否可以被除法，在其內(nèi)部會(huì)有相關(guān)的寄存器來(lái)進(jìn)行選擇，通過(guò)里面的控制標(biāo)志位開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)實(shí)際情況決定是否使用中斷。通常單片機(jī)里面有一個(gè)總控制位，這個(gè)位可以控制所有中斷的開(kāi)與關(guān)，然后每一種中斷自己還有一個(gè)獨(dú)立的控制位決定自己的開(kāi)與關(guān)，如果想使用某個(gè)中斷，就需要將總中斷開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)中斷的開(kāi)關(guān)都打開(kāi)。當(dāng)單片機(jī)有中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，就會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)中斷，不同的中斷源會(huì)需要不同的響應(yīng)方法，也就是說(shuō)不同的中斷產(chǎn)生的時(shí)候，需要單片機(jī)程序依照不同的中斷源做出不同的響應(yīng)，這就是中斷服務(wù)程序。如果是UART收到新數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷，應(yīng)該是UART中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)讀回來(lái)并做處理，如果是ADC轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生的中斷，需要的則是ADC中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)讀回來(lái)并做處理。如果需要清中斷標(biāo)志位動(dòng)作，一般都是在中斷服務(wù)程序里面完成。不同的中斷源需要與之對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，實(shí)際開(kāi)發(fā)中并不是所有的中斷都會(huì)被用到，開(kāi)發(fā)人員為了節(jié)約程序代碼空間會(huì)只寫(xiě)出自己要使用到的中斷服務(wù)程序，也就是說(shuō)會(huì)有一些中斷沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，如果觸發(fā)了這樣的中斷，單片機(jī)程序會(huì)運(yùn)行出錯(cuò)，前面中斷各自獨(dú)立的控制位就排上用場(chǎng)，將這些控制位關(guān)掉，相應(yīng)中斷就不會(huì)被觸發(fā)。單片機(jī)開(kāi)始上電的時(shí)候，如果控制中斷是否被打開(kāi)的寄存器控制標(biāo)志位被打開(kāi)，可能會(huì)出現(xiàn)中斷被誤觸發(fā)的情況，而這個(gè)中斷如果沒(méi)有與之相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的話程序就會(huì)跑飛，所以單片機(jī)上電的時(shí)候一般會(huì)自動(dòng)將這些寄存器里面的標(biāo)志位都關(guān)掉，以免誤觸發(fā)。中斷服務(wù)程序是單片機(jī)程序的一部分，具體內(nèi)容由開(kāi)發(fā)人員決定，這樣中斷服務(wù)程序的大小在單片機(jī)程序中的位置就不固定，當(dāng)單片機(jī)的中斷被觸發(fā)后，單片機(jī)需要知道中斷服務(wù)程序在什么位置才能執(zhí)行它，單片機(jī)通過(guò)中斷跳轉(zhuǎn)表（中斷向量表）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。雖然中斷服務(wù)程序的大小和在整個(gè)程序中的位置會(huì)不固定，但程序只要被燒進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于這個(gè)程序來(lái)說(shuō)其中斷服務(wù)程序的大小和在整個(gè)程序中的位置就會(huì)被固定下來(lái)，如果對(duì)單片機(jī)程序空間分配我們做出一些約定，將一個(gè)絕對(duì)固定地址專(zhuān)門(mén)分配給中斷使用，程序編譯時(shí)會(huì)將中斷服務(wù)程序的起始地址（或者是跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的指令）填到這個(gè)絕對(duì)固定地址所在的空間，當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)候，單片機(jī)先將絕對(duì)固定地址所在位置里面的內(nèi)容讀出，根據(jù)所讀內(nèi)容就可以跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。
圖5 中斷響應(yīng)示意圖簡(jiǎn)單的單片機(jī)所提供的中斷種類(lèi)有限，為了簡(jiǎn)化程序，會(huì)給每一個(gè)中斷分配一個(gè)用來(lái)存放中斷服務(wù)程序地址的地址空間，這種方法其實(shí)沒(méi)什么不好的地方，只是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在遇到了瓶頸，高端單片機(jī)越來(lái)越復(fù)雜，于是一些專(zhuān)業(yè)廠商開(kāi)始合作共享技術(shù)資源，例如ARM公司利用他們?cè)贑PU架構(gòu)體系上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)專(zhuān)門(mén)給另外的廠商提供CPU內(nèi)核，另外的廠商在ARM內(nèi)核的CPU外圍增加功能模塊，這些功能模塊大都支持中斷。

圖6 ARM內(nèi)核單片機(jī)架構(gòu)圖不同廠家在相同CPU內(nèi)核基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的單片機(jī)外圍的功能模塊會(huì)各不相同，從而中斷的種類(lèi)和個(gè)數(shù)也各不相同，而CPU處理中斷的方法是一樣的，如果延續(xù)簡(jiǎn)單的單片機(jī)給每個(gè)中斷都分配一個(gè)地址空間的做法顯然有問(wèn)題，CPU無(wú)法知道到底有多少種中斷需要支持，這些中斷又分別對(duì)應(yīng)什么模塊，于是采用另外一種中斷處理方法，將所有中斷地址都指向同一個(gè)，并將所有中斷依次編號(hào)，中斷產(chǎn)生時(shí)候CPU會(huì)告訴中斷服務(wù)程序當(dāng)前中斷編號(hào)是多少，然后中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷編號(hào)做出相應(yīng)響應(yīng)。

圖7 公用中斷入口中斷響應(yīng)流程圖

圖8 獨(dú)立中斷入口中斷響應(yīng)流程圖所有中斷使用同一個(gè)中斷向量地址然后通過(guò)中斷號(hào)判斷中斷類(lèi)別的方法雖然解決了通用CPU內(nèi)核中斷不能直接對(duì)應(yīng)中斷向量地址的問(wèn)題，但把它中斷處理的流程和具有獨(dú)立中斷向量表的單片機(jī)相比就會(huì)發(fā)現(xiàn)中斷的響應(yīng)速度會(huì)變慢。具有獨(dú)立中斷向量表的單片機(jī)只要一條跳轉(zhuǎn)指令就可以直接進(jìn)入中斷程序，而沒(méi)有獨(dú)立中斷向量表的單片機(jī)需要先跳轉(zhuǎn)到中斷公共入口，然后通過(guò)代碼判定中斷類(lèi)別，確定中斷類(lèi)別后才跳轉(zhuǎn)到真正的中斷程序中去。C語(yǔ)言的代碼會(huì)讓這種情況更加惡化，所以如果是沒(méi)有獨(dú)立中斷向量表的單片機(jī)一般采用匯編查表的方法加快中斷響應(yīng)速度。
圖9 匯編中斷快速跳轉(zhuǎn)表中斷程序執(zhí)行完畢后回返回繼續(xù)執(zhí)行主程序，這樣就要求中斷不改變主程序的運(yùn)行狀態(tài)，所以中斷響應(yīng)時(shí)需要將程序當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)信息保存起來(lái)，比如程序運(yùn)行到什么位置、當(dāng)前CPU狀態(tài)寄存器的狀態(tài)等信息。當(dāng)中斷程序執(zhí)行完畢，可以通過(guò)這些信息將CPU狀態(tài)寄存器恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，并能返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。不同的單片機(jī)對(duì)此的處理方式也會(huì)有不同，一種是完全由硬件來(lái)完成，并不需要程序來(lái)進(jìn)行管理；另外一種是將狀態(tài)信息用相應(yīng)指令保存在特定位置，返回時(shí)再用相應(yīng)指令恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。

單片機(jī)中斷還有中斷優(yōu)先級(jí)和中斷嵌套的概念，但不是所有的單片機(jī)都會(huì)支持這兩種功能。中斷優(yōu)先級(jí)是不同的中斷會(huì)有不同的優(yōu)先級(jí)別，如果同時(shí)有兩個(gè)中斷產(chǎn)生，單片機(jī)會(huì)先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的中斷。中斷嵌套是指在中斷響應(yīng)當(dāng)中又有新的中斷產(chǎn)生，單片機(jī)可以暫停當(dāng)前的中斷程序執(zhí)行去響應(yīng)新的中斷，新中斷程序執(zhí)行完以后在接著執(zhí)行當(dāng)前中斷程序。一般中斷嵌套是高優(yōu)先級(jí)的中斷可以插入低優(yōu)先級(jí)中斷響應(yīng)程序，同級(jí)或低級(jí)的中斷不能插入當(dāng)前中斷響應(yīng)程序。

圖10 中斷嵌套示意圖

中斷步驟說(shuō)明：

步驟①保存主程序現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行中斷1服務(wù)程序

步驟②保存中斷1服務(wù)程序現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行中斷2服務(wù)程序

步驟③恢復(fù)中斷1服務(wù)程序現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行中斷1服務(wù)程序

步驟④恢復(fù)主程序現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)備繼續(xù)執(zhí)行主程序，有新中斷不能繼續(xù)執(zhí)行主程序

步驟⑤保存主程序現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行中斷3服務(wù)程序

步驟⑥恢復(fù)主程序現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)備繼續(xù)執(zhí)行主程序，有新中斷不能繼續(xù)執(zhí)行主程序

步驟⑦保存主程序現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行中斷4服務(wù)程序

步驟⑧恢復(fù)主程序現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)中斷產(chǎn)生繼續(xù)執(zhí)行主程序有的單片機(jī)一進(jìn)入中斷函數(shù)就會(huì)自動(dòng)將中斷的總控制位關(guān)掉，需要開(kāi)發(fā)人員在中斷程序中用程序再次打開(kāi)，否則一次中斷后所有的中斷就不能繼續(xù)使用。對(duì)于中斷標(biāo)志位，在寫(xiě)單片機(jī)程序的時(shí)候要依據(jù)單片機(jī)文檔進(jìn)行清除標(biāo)志為操作，不然有可能會(huì)一旦產(chǎn)生某個(gè)中斷就會(huì)連續(xù)不停的反復(fù)響應(yīng)這個(gè)中斷，導(dǎo)致主程序不能繼續(xù)運(yùn)行。