淺談嵌入式MCU的中斷處理

眾所周知，一方面，MCU在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛使用的一個(gè)重要原因就是其相對(duì)于MPU和通用CPU的時(shí)效性優(yōu)勢(shì)。而低延遲的外設(shè)中斷和中斷嵌套正是MCU實(shí)時(shí)性的最大保障。另一方面，在嵌入式系統(tǒng)MCU軟件開(kāi)發(fā)中，隨著系統(tǒng)功能的日益復(fù)雜，不論是否采用RTOS，多任務(wù)都是不可避免的。在裸奔系統(tǒng)中，為了讓時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)得到最先響應(yīng)，往往需要通過(guò)外設(shè)中斷嵌套來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬于基于外設(shè)的硬件中斷嵌套，而在RTOS中，則給所有系統(tǒng)任務(wù)，都賦以具體的優(yōu)先級(jí)，由內(nèi)核根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低來(lái)進(jìn)行調(diào)度，實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)了一套基于優(yōu)先級(jí)的軟件中斷嵌套。RTOS中的任務(wù)軟件嵌套通過(guò)內(nèi)核tick定時(shí)器中斷不斷查詢RTOS任務(wù)就緒表中各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高低來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，其外設(shè)硬件中斷未必需要嵌套。

本文旨在給大家介紹嵌入式MCU的中斷處理相關(guān)知識(shí)，幫助大家理解中斷，并使用好中斷。

既然中斷嵌套對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)如此重要，具體什么是中斷嵌套呢？在具體解釋中斷嵌套之前，有必須要先講一下嵌入式MCU的中斷工作機(jī)制和中斷優(yōu)先級(jí)：

寫過(guò)裸奔程序的工程師都知道，一個(gè)內(nèi)核CPU同一個(gè)時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)/程序代碼/指令，比如數(shù)據(jù)計(jì)算，與片上外設(shè)進(jìn)行交互通信等。代碼的執(zhí)行順序是用戶自己首先寫好的，CPU逐行取指、譯碼、執(zhí)行即可。產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)就是在main函數(shù)的while(1)循環(huán)中(常稱作主程序)，不斷的調(diào)用其他功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。但實(shí)際工作環(huán)境中、很多事件是隨機(jī)發(fā)生的，比如網(wǎng)絡(luò)通信，外部IO輸入等不確定事件，這個(gè)時(shí)候CPU就不得不放下當(dāng)前正在執(zhí)行的工作，卻響應(yīng)這些緊急事件，及時(shí)讀取網(wǎng)絡(luò)報(bào)文、處理并回復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信需求，及時(shí)外部IO請(qǐng)求。這樣的處理就叫做中斷。

嵌入式MCU中內(nèi)核CPU異常和各種外設(shè)工作都能夠產(chǎn)生響應(yīng)的中斷，且通過(guò)中斷控制器統(tǒng)一進(jìn)行管理。這樣CPU在中斷未產(chǎn)生時(shí)就可以專心處理順序執(zhí)行的任務(wù)，而只有在中斷產(chǎn)生時(shí)才通過(guò)中斷控制器中斷CPU(通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)高電平/低電平信號(hào)給CPU，這個(gè)過(guò)程被稱為中斷請(qǐng)求)，如果此時(shí)CPU全局中斷處于使能狀態(tài)，則CPU會(huì)結(jié)合中斷向量表和中斷優(yōu)先級(jí)配置，根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)高低(如果同時(shí)有多個(gè)外設(shè)中斷發(fā)生)，從中斷向量表中取出優(yōu)先級(jí)最高的中斷服務(wù)程序ISR地址，將當(dāng)前CPU的運(yùn)行時(shí)環(huán)境壓棧，之后跳轉(zhuǎn)至該中斷ISR地址運(yùn)行；若此時(shí)CPU全局中斷處于關(guān)閉狀態(tài)，則忽略當(dāng)前中斷請(qǐng)求。

下圖為典型CPU正常主程序處理流程與外設(shè)中斷響應(yīng)的關(guān)系圖：

S12內(nèi)核CPU的中斷/異常處理流程圖如下：

中斷響應(yīng)--中斷ISR與中斷實(shí)時(shí)性

當(dāng)中斷產(chǎn)生后，中斷控制器就會(huì)請(qǐng)求內(nèi)核CPU進(jìn)行中斷響應(yīng)，其典型的響應(yīng)就是CPU運(yùn)行事先準(zhǔn)備好的中斷ISR。

中斷ISR不同于其他用戶軟件程序，屬于一類特殊的函數(shù)，原因入下：

1. 中斷ISR必須是void型的無(wú)參數(shù)傳遞函數(shù)--無(wú)形參無(wú)返回值；

2.中斷ISR由硬件外設(shè)觸發(fā)，而非其他函數(shù)調(diào)用，其運(yùn)行時(shí)機(jī)具有隨機(jī)不確定性和硬件實(shí)時(shí)性

3.中斷ISR運(yùn)行時(shí)間必須盡量短，以保證外設(shè)中斷的實(shí)時(shí)性；

在中斷ISR中需要完成以下工作：

1. 將引起該中斷請(qǐng)求的外設(shè)中斷標(biāo)志清除，保證外設(shè)不因該中斷ISR運(yùn)行而丟失下一次中斷，而CPU在中斷退出后可以處理其他任務(wù)；

2. 處理外設(shè)中斷事件，典型如定時(shí)計(jì)數(shù)，通信外設(shè)RX數(shù)據(jù)接收或者TX數(shù)據(jù)buffer填充等；

為了保證中斷的實(shí)時(shí)性，中斷ISR程序要盡量短，不能條件等待語(yǔ)句甚至將死循環(huán)語(yǔ)句放在中斷ISR內(nèi)。建議用戶一般只把關(guān)鍵處理放在中斷ISR中，其他相關(guān)的一般性工作放在主程序中執(zhí)行。典型例子如CAN的數(shù)據(jù)接收放在CAN RX 中斷ISR中，而通過(guò)全局變量通知主程序執(zhí)行相關(guān)的診斷協(xié)議(如UDS)。

中斷優(yōu)先級(jí)與中斷嵌套

中斷優(yōu)先級(jí)是指內(nèi)核CPU在響應(yīng)硬件外設(shè)中斷時(shí)的先后順序，當(dāng)不同的硬件外設(shè)中斷產(chǎn)生時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的外設(shè)其中斷ISR最先被內(nèi)核執(zhí)行；

中斷嵌套是指在外設(shè)中斷具有不同的優(yōu)先級(jí)，在CPU響應(yīng)低優(yōu)先級(jí)中斷的時(shí)候(也就是運(yùn)行中斷ISR時(shí))，打開(kāi)CPU全局中斷，如果此時(shí)有更高優(yōu)先級(jí)的中斷到來(lái)，CPU能夠停下當(dāng)前的中斷處理區(qū)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的中斷，從而保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)外設(shè)響應(yīng)實(shí)時(shí)性的情況：

一個(gè)三級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)嵌套的典型嵌套流程如下所示：

總結(jié)一下中斷嵌套發(fā)生的必要條件：

1.?不同的外設(shè)中斷源必須有不同的優(yōu)先級(jí)

一些MCU的中斷優(yōu)先級(jí)時(shí)固定不可配置的，如S12G系列MCU，其外設(shè)中斷優(yōu)先級(jí)固定，中斷向量地址越高的優(yōu)先級(jí)越高)；而另外一些MCU的中斷優(yōu)先級(jí)是可以靈活配置的，如S12XE系列MCU的外設(shè)中斷具有8個(gè)優(yōu)先級(jí)設(shè)置和Qorivva MPC56xx系列MCU的外設(shè)中斷有16個(gè)優(yōu)先級(jí)可以配置，此類MCU其默認(rèn)所有外設(shè)優(yōu)先級(jí)相同，所以要進(jìn)行中斷嵌套，需要根據(jù)外設(shè)任務(wù)的重要性對(duì)相應(yīng)外設(shè)配置不同的優(yōu)先級(jí)；

2. 在中斷ISR中必須打開(kāi)CPU全局中斷

幾乎所有嵌入式MCU的默認(rèn)在進(jìn)中斷壓棧的時(shí)候都是關(guān)閉CPU全局中斷的，也就是默認(rèn)禁止中斷嵌套的，要使能中斷嵌套，用戶必須在可以被嵌套的外設(shè)中斷ISR中手動(dòng)打開(kāi)CPU的全局中斷。

下圖為S12內(nèi)核CPU中斷壓棧過(guò)程，壓棧CCR寄存器，關(guān)閉全局中斷的處理，箭頭所指紅圈中，硬件置位 I-BIT(禁止I-bit外設(shè)中斷)、S-BIT(禁止STOP低功耗指令)和X-BIT(禁止XIRQ中斷)(注：該過(guò)程是用戶不可控且不可中斷的"原子"操作)

打開(kāi)全局中斷的時(shí)機(jī)需要根據(jù)具體任務(wù)來(lái)決定，一般建議在中斷ISR中，清除當(dāng)前外設(shè)中斷標(biāo)志后打開(kāi)即可。

注意，在一些高級(jí)MCU中，比如Qorivva MPC56xx和基于ARM Cortex M4F內(nèi)核的最先汽車級(jí)MCU--S32K系列MCU中還集成了DMA，其也可以響應(yīng)大部分的片上外設(shè)中斷，這時(shí)，外設(shè)中斷標(biāo)志就由DMA來(lái)清除，然后完成外設(shè)數(shù)據(jù)的搬移(無(wú)需編寫外設(shè)中斷ISR了)，從而減少了CPU被外設(shè)中斷的頻次，提高CPU的工作效率。

另外， 通過(guò)以上分析結(jié)合上一篇分享文章--淺談嵌入式MCU軟件開(kāi)發(fā)之應(yīng)用工程的堆與棧，嵌入式MCU中斷嵌套需要較大的堆棧(stack)消耗，所以嵌入式MCU中斷嵌套層數(shù)不宜過(guò)多，否則容易出現(xiàn)堆棧溢出。