单片机中断执行流程

中断执行流程

一、中断触发阶段

1. 中断源触发

• 硬件事件：GPIO输入、定时器溢出、ADC转换完成等。
• 软件事件：软件中断指令（如SWI - SoftWare Interrupt）。

2. 中断请求（IRQ）发送

• 外设将中断标志位置1，并向NVIC（嵌套向量中断控制器）发送请求。
• NVIC根据优先级决定是否立即响应。

二、中断响应阶段

1. 处理器上下文保存

• 自动压栈（硬件完成）：
  • 当前程序计数器（PC）、程序状态寄存器（xPSR）、通用寄存器（R0-R3, R12, LR）依次压入当前堆栈（MSP/PSP）。
  • 若中断嵌套发生，自动切换到主堆栈（MSP）。
• LR值更新：LR被设置为特殊值（如0xFFFFFFF1），标记中断返回模式。

2. 中断向量表查找

• 处理器根据中断号（IRQn）计算向量表偏移：

  中断服务函数地址 = VTOR（向量表基址） + 4 * (IRQn + 16)

  • 例如：IRQn=10，其地址 = 0x8000000 + 4 * (10 + 16) = 0x8000068

3. 跳转到中断服务函数（ISR）

• 处理器从向量表中读取ISR地址，并跳转执行。

注：

• ISR不能返回一个值。

• ISR不能传递参数。

• 在许多处理器／编译器中，浮点一般都是不可重入的。有些处理器／编译器需要让额外的寄存器入栈。有些处理器／编译器就不允许在ISR中做浮点运算。此外，ISR应该是短而有效率的，在ISR中做浮点运算是不明智的。

• 与第三点一脉相承，printf()经常有重入和性能上的问题，所以一般不使用printf()。

三、中断处理阶段

1. ISR执行流程

void TIM1_IRQHandler(void) {
    // 1. 清除中断标志（防止重复进入）
    TIM1->SR &= ~TIM_SR_CC1IF;
    
    // 2. 用户处理逻辑（如读取ADC数据、翻转GPIO等）
    do_something();
    
    // 3. 若有更高优先级中断，可触发上下文切换（如PendSV）
}

2. 关键注意事项

• 快速响应：ISR应尽量简短，避免长时间阻塞。
• 共享资源保护：若需访问全局变量，使用临界区（关中断）或原子操作。

四、中断返回阶段

1. 上下文恢复

• 出栈操作（硬件自动完成）：
  • 从堆栈中依次恢复R0-R3, R12, LR, PC, xPSR。
• LR值检查：若LR=0xFFFFFFF1，表示返回线程模式并使用MSP。

2. 返回原程序

• 处理器恢复之前的PC和xPSR，继续执行被中断的代码。

五、完整流程示意图

┌───────────────────────┐
│     主程序运行          │
└──────────┬───────────┘
           │ 中断触发
┌──────────▼───────────┐
│ 硬件自动保存上下文      │
│ (PC, xPSR, R0-R3等)   │
└──────────┬───────────┘
           │
┌──────────▼───────────┐
│ 从向量表获取ISR地址     │
└──────────┬───────────┘
           │
┌──────────▼───────────┐
│ 执行ISR               │
│ 1. 清除中断标志        │
│ 2. 处理中断任务        │
└──────────┬───────────┘
           │
┌──────────▼───────────┐
│ 硬件自动恢复上下文      │
└──────────┬───────────┘
           │
┌──────────▼───────────┐
│ 返回主程序继续执行      │
└───────────────────────┘

---

中断嵌套与优先级

1. 优先级规则

• 抢占优先级：高优先级可打断低优先级。
• 子优先级：相同抢占优先级时，按子优先级顺序执行。

2. 嵌套中断流程

低优先级ISR执行中
   ↓
高优先级中断触发
   ↓
硬件保存低优先级ISR的上下文
   ↓
执行高优先级ISR
   ↓
高优先级ISR返回，恢复低优先级ISR上下文
   ↓
低优先级ISR继续执行