中断的概念和机制

中断与轮询

  • 中断： 由硬件判断外部事件并通知CPU；专用的中断服务程序来处理事件
    • 处理对响应要求非常高的事件
    • 处理持续事件非常短的事件
    • 低功耗的应用
    • 程序设计复杂

通常把CPU内部的紧急时间叫做异常，比如地址访问越界； 把CPU外部的片上外设产生的紧急时间叫做中断,比如GPIO口引脚的电平变化。 中断和异常都是停下当前任务去执行紧急事件，所以一般统称位中断。

  • 轮询：周期/连续检查外部事件是否发生 消耗大量CPU处理时间

在CM3的内核中1~15号是系统异常，16 ~ 256是外部中断，有内核中的NVIC（嵌套向量中断控制器）

中断控制器（NVIC）

作用

  1. 中断管理
  2. 支持异常及中断向量化处理
  3. 支持嵌套中断

中断管理

在这里插入图片描述

  • 全局中断控制 CRR寄存器中的一个特殊位 在复位和中断后该位置

  • Dedicated IE 在复位后所有中断被禁止

  • 中断标志位 IF 中断源对应的标志 引发请求 读写操作清除中断标志位

寄存器AIRCR（中断和复位寄存器） 0-7位：设置抢占优先级和子优先级的级数 8-10位：优先级分组 中断先看抢占优先级，抢占优先级越高越先触发；抢占优先级相同，子优先级高的先触发。 抢占优先级高可以打断低的，即中断的嵌套，实现中断的嵌套

中断优先级特点

  1. 多个中断同时出现，高优先级中断先得到响应。
  2. 中断优先级可以是固定的或者是编程指定的 固定优先级：根据中断向量表顺序（比如S12内核） 设定优先级：每个中断都有优先级设置位（比如ARM Cortex M0+支持4个优先级）

每一个部件也有一个自己的中断控制器，而NVIC相当于总管家。

中断和异常向量表

内部异常和外部中断按照优先级进行排列形成一张中断向量表，一般数字越小优先级越高。当发生中断和异常的时候，处理器将PC指向表中的相应地址，这个地址叫做异常向量。 前三个优先级是最高的。 在这里插入图片描述 中断向量表的特点：

  • 一段连续的存储空间 ；
  • 复位后有默认起始位置 ；
  • 每个中断在向量表中都有相应的表项，该表项的值为该中断对应的服务程序的地址；
  • 中断向量表里的内容赋值给PC指针，程序相应的就会发生跳转 由程序代码确定中断向量表的每个表项；
  • 中断向量表的位置是可以通过改写中断向量基址寄存器重新定位的；

在系统上电之后，即缺省情况下，会执行这样一张表，后面会讲到。 在这里插入图片描述

工作流程

中断的过程

一个中断的产生可以归纳为打开中断总开关，使能中断，配置发生条件：

  • step1 设置自己的控制单元；
  • step2 在NVIC里打开总中断；
  • step3 中断源送到CPU；
  • step4 CPU查找中断向量表，找到处理函数的地址去执行函数。

以GPIO口电平引起的中断为例，有一个EXIT外部中断控制器，管理所有GPIO的中断。EXTI进行使能，将请求通知给NVIC，再通知CPU。

堆栈情况

通过栈结构进行现场恢复的步骤

  • step1 主程序执行的时候，发生中断
  • step2 压栈保留一个现场执行中断函数
  • step3 中断函数没有执行完，又来了一个更高优先级的中断
  • step4 再次打断它，在保留一个CPU的现场
  • step5 再占一部分堆栈去执行更高优先级的中断
  • step6 依次退出

在这里插入图片描述 注意点

  • 中断的寄存器入栈由CPU硬件自动完成
  • 在中断时寄存器在堆栈中的保存顺序是在其手册中指明的。
  • 开发者需要手动的把发生变化的寄存器压入堆栈。

中断服务子程

中断服务子程也叫中断服务函数，在一些CPU中，中断服务子程不同于一般的C函数，函数退出时的返回汇编指令有所区别。 在ARM Cortex M0+平台上，中断服务子程与一般C语言写法没有区别，使用同样的汇编返回指令即可

中断子程序函数特点：

  • 被CPU硬件自动调用
  • 在ISR执行前、后，CPU自动进行了堆栈出入等操作
  • 写成C语言的参数和返回值都应该为void