从生活实例学习单片机中断.docx

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从生活实例学习单片机中断

#1楼主贴：

快捷共享《删繁就简-单片机入门到精通》之中断

文章发表于：

2010-04-0120:

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1.10.方便实用的中断

每个周末丁丁小朋友的父母会要求他独立完成一些家务，来培养他的劳动习惯，家务是固定的三件事情：

烧两壶开水、炖一锅排骨、将家里的地板拖一遍。

如果单独完成这些事情，烧一壶开水大概需要十分钟，炖排骨大概二十五分钟，拖地板大概需要三十分钟，烧开水只要等水开了倒进保温瓶里，排骨炖好后关掉火就行。

第一周，丁丁小朋友先开始烧水和炖排骨，然后去拖地板，为了看水有没有烧开和排骨有没有炖好，拖一会地板就要停下来跑到厨房去看一看，这样看一次需要一分钟，总共看了十次，四十分钟后三样家务全部做完。

虽然四十分钟把家务全部做完，但丁丁小朋友是隔几分钟才去看一下水有没有烧开，于是水被烧开了一会丁丁小朋友才发现，水烧开后从壶里溢出流到煤气灶上，有点危险，显然从家务完成的质量来看不是很理想。

第二周，丁丁小朋友吸取了上周的经验，烧水换用水烧开后可以自动鸣笛的壶，排骨有上周的经验知道炖二十五分钟火候差不多，于是炖的时候用一个闹钟定时二十五分钟，接下来专心开始拖地板。

大约十分钟后，第一壶水烧开鸣笛，丁丁小朋友停下拖地板去把水倒进保温瓶接着烧第二壶，继续拖地板；又过了大约十分钟，第二壶水烧开，丁丁小朋友同样处理；二十五分钟时间到，闹钟响起，丁丁小朋友过去看排骨，已经炖好于是关火，接着拖地板；三十三分钟，地板拖完，家务全部完成。

和第一周对比，时间少用了七分钟，而且水一开就去倒掉，消除了潜在危险，完成的质量自然要好一些，看来日常生活中的一些事情，不同的处理方法做出来的效果也会有明显差异。

丁丁小朋友做家务的例子对应单片机同时需要处理几个工作任务的两种基本方法：

轮流查询和中断响应。

开水烧开了不马上处理就会有危险，拖地板被打断有延时不会发生什么意外，但烧开水只要把水倒进壶里烧就行，烧的过程中并不需要做其它事情，拖地板则需要一直拖到全部地板拖完。

如果说第一周的方法是轮流查询那二周的方法就是中断响应，水烧开鸣笛和闹铃为中断发生信号，从丁丁小朋友两周完成的结果可以看出中断响应效果要好过轮流查询。

图1.10.-1丁丁第一周家务流程图

图1.10.-2丁丁第二周家务流程图

序言中就说过单片机技术是一门实用工程技术学科，和日常生活息息相关，正是为了应付丁丁小朋友做家务例子中烧水炖排骨这类问题，单片机有了中断的概念。

中断就是在工作过程中突然有更紧要的事情去要去处理，于是将当前的工作打断，处理好更紧要的事情后再继续当前的工作。

单片机的中断可分为两大类：

一种是单片机内部控制电路在某种条件下产生的叫内部中断，另外一种则是由单片机外部器件产生的叫外部中断。

丁丁小朋友烧水和炖排骨对于他是两个独立的外部事情，这两个外部事情所产生的“中断信号”分别属于外部中断和内部中断。

水烧开是水壶主动发出笛声，这个笛声和丁丁小朋友没有直接的关联，他不知道具体会在什么时候响，只要水开就会由水壶产生并传到丁丁小朋友的耳朵里，笛声是他的“外部中断信号”；闹铃是丁丁小朋友用他的闹钟来产生的，和炖排骨没有直接联系，只是因为丁丁小朋友知道排骨二十五分钟可以炖好才设置成这个时间，他自己是知道闹铃什么时候会响，只是他不想频繁地去看时间才用闹钟定时，闹铃声是他的“内部中断信号”。

通过丁丁小朋友做家务的例子我们明白了中断的原理和方法：

单片机在工作的时候往往需要处理多个事情，有些事情只并不需要单片机时刻进行控制，只是需要在某些特定的条件下由单片机做出相应处理，有些事情则需要单片机花比较多的时间逐步控制，一旦停止控制就无法进行下一步操作，中断的引入可以让单片机面对这样的问题时有更高的工作效率，对于不需时刻进行控制的事情在需要被干预时发出中断信号让单片机来进行相应处理，需要时刻控制的就由单片机主程序循环持续控制。

单片机中断分为内部中断和外部中断两大类，外部中断由单片机外部设备产生，中断产生后通过单片机的外部管脚传递给单片机，传递这个中断信号最简单的方法就是规定单片机的管脚在什么状态下有外部中断产生，这样单片机通常是有一个或多个IO口当在输入状态时可以用来检测外部中断信号。

有外部中断产生的条件通常也就是这五种：

IO口输入为高、IO口输入为低、IO口输入由高变为低、IO口输入由低变为高、IO口输入由高变低或者由低变高。

一个连接到单片机的外部设备，如果想要使用单片机的外部中断，就必须在自己请求单片机中断响应的时候给单片机提供单片机在这五种信号中所支持的类型来触发单片机中断。

程序运转中，一个中断不是只产生一次，一般都会间隔持续产生，这五种外部中断触发信号前四种都有一个问题，就是外设发出请求中断信号后如果信号请求线状态不改变，外设会无法向单片机提供下一次中断请求信号。

让我们来看看以单片机和外部设备采用负跳变触发中断为例的触发情况。

外部设备以负跳变触发单片机中断，第一次中断请求外部设备的中断请求输出脚可以从高变低，触发单片机中断，第一次中断请求发生后中断请求脚保持输出低，外部设备无法产生第二次中断的触发负跳变信号。

图1.10.-3外设只能产生一次中断请求信号示意图

将外部设备的中断请求信号做出修改，原来为需要中断时只是输出从高到低变化，现在改为输出先从高变到低，经过一小段时间后自己从低变回高，这样就可以每次需要中断时都能向单片机输出负跳变触发信号。

图1.10.-4外设可连续产生中断请求信号示意图一

或者是由外部设备提供某种接口，单片机通过该接口可以对外部设备进行中断清除操作，中断清除操作可以让外部设备的中断请求输出脚恢复到高。

图1.10.-5外设可连续产生中断请求信号示意图二

外部中断触发还有一些特殊方式，比如外部脉冲宽度测量、外部脉冲计数等，这些方式都是在前面几种基本触发方式上进行功能扩展得来的，外部脉冲宽度测量就是当中断信号线跳变时会启动内部一个计时器，到下一次中断信号线跳变时通过计时器得到脉冲宽度并重新启动计时器，这些方式很少会使用到，不做详述。

内部中断是指单片机内部的功能模块产生中断信号，只要是单片机内部在CPU外围能独立工作的功能模块都会提供中断功能，常见的内部中断类型有时钟Timer、串口UART、模数转换ADC等。

内部中断的工作流程和外部中断没太多区别，只是中断请求信号是在单片机内部进行传输，中断信号不是管脚上的电平状态，而是一个寄存器里面的相应标志位，通常当某个内部中断产生中断请求时就会将相应标志位置为1，CPU响应中断时将这个标志位清0。

图1.10.-6内部中断触发示意图

单片机对中断标志位的处理方法没有统一标准，具体的约定方法要看单片机文档。

大部分是标志位为1有中断产生，但有少数单片机是标志位为0有中断产生；有的单片机对中断标志位是CPU写入什么就是给改写成什么，有的则是规定必须通过写1或写0来实现清除操作，还有少数只要读一下中断标志位就会自动清除掉该标志位。

如果单片机不想被外部中断触发，大不了将用于连接外部中断触发信号的管脚接成不会触发中断的电压状态就可以，但内部中断无法去改变内部连线，所以单片机为了可以选择中断是否可以被除法，在其内部会有相关的寄存器来进行选择，通过里面的控制标志位开发人员可以根据实际情况决定是否使用中断。

通常单片机里面有一个总控制位，这个位可以控制所有中断的开与关，然后每一种中断自己还有一个独立的控制位决定自己的开与关，如果想使用某个中断，就需要将总中断开关和对应中断的开关都打开。

当单片机有中断信号产生时，就会触发对应中断，不同的中断源会需要不同的响应方法，也就是说不同的中断产生的时候，需要单片机程序依照不同的中断源做出不同的响应，这就是中断服务程序。

如果是UART收到新数据产生中断，应该是UART中断服务程序将数据读回来并做处理，如果是ADC转换完成产生的中断，需要的则是ADC中断服务程序将数据读回来并做处理。

如果需要清中断标志位动作，一般都是在中断服务程序里面完成。

不同的中断源需要与之对应的中断服务程序，实际开发中并不是所有的中断都会被用到，开发人员为了节约程序代码空间会只写出自己要使用到的中断服务程序，也就是说会有一些中断没有与之对应的中断服务程序，如果触发了这样的中断，单片机程序会运行出错，前面中断各自独立的控制位就排上用场，将这些控制位关掉，相应中断就不会被触发。

单片机开始上电的时候，如果控制中断是否被打开的寄存器控制标志位被打开，可能会出现中断被误触发的情况，而这个中断如果没有与之相对应的中断服务程序的话程序就会跑飞，所以单片机上电的时候一般会自动将这些寄存器里面的标志位都关掉，以免误触发。

中断服务程序是单片机程序的一部分，具体内容由开发人员决定，这样中断服务程序的大小在单片机程序中的位置就不固定，当单片机的中断被触发后，单片机需要知道中断服务程序在什么位置才能执行它，单片机通过中断跳转表（中断向量表）来解决这个问题。

虽然中断服务程序的大小和在整个程序中的位置会不固定，但程序只要被烧进单片机系统，对于这个程序来说其中断服务程序的大小和在整个程序中的位置就会被固定下来，如果对单片机程序空间分配我们做出一些约定，将一个绝对固定地址专门分配给中断使用，程序编译时会将中断服务程序的起始地址（或者是跳转到中断服务程序的指令）填到这个绝对固定地址所在的空间，当中断产生时候，单片机先将绝对固定地址所在位置里面的内容读出，根据所读内容就可以跳转到中断服务程序。

图1.10.-7中断响应示意图

简单的单片机所提供的中断种类有限，为了简化程序，会给每一个中断分配一个用来存放中断服务程序地址的地址空间，这种方法其实没什么不好的地方，只是单片机技术发展到现在遇到了瓶颈，高端单片机越来越复杂，于是一些专业厂商开始合作共享技术资源，例如ARM公司利用他们在CPU架构体系上的技术优势专门给另外的厂商提供CPU内核，另外的厂商在ARM内核的CPU外围增加功能模块，这些功能模块大都支持中断。

图1.10.-8ARM内核单片机架构图

不同厂家在相同CPU内核基础上设计出来的单片机外围的功能模块会各不相同，从而中断的种类和个数也各不相同，而CPU处理中断的方法是一样的，如果延续简单的单片机给每个中断都分配一个地址空间的做法显然有问题，CPU无法知道到底有多少种中断需要支持，这些中断又分别对应什么模块，于是采用另外一种中断处理方法，将所有中断地址都指向同一个，并将所有中断依次编号，中断产生时候CPU会告诉中断服务程序当前中断编号是多少，然后中断服务程序根据中断编号做出相应响应。

图1.10.-9公用中断入口中断响应流程图

图1.10.-10独立中断入口中断响应流程图

所有中断使用同一个中断向量地址然后通过中断号判断中断类别的方法虽然解决了通用CPU内核中断不能直接对应中断向量地址的问题，但把它中断处理的流程和具有独立中断向量表的单片机相比就会发现中断的响应速度会变慢。

具有独立中断向量表的单片机只要一条跳转指令就可以直接进入中断程序，而没有独立中断向量表的单片机需要先跳转到中断公共入口，然后通过代码判定中断类别，确定中断类别后才跳转到真正的中断程序中去。

C语言的代码会让这种情况更加恶化，所以如果是没有独立中断向量表的单片机一般采用汇编查表的方法加快中断响应速度。

图1.10.-11汇编中断快速跳转表

中断程序执行完毕后回返回继续执行主程序，这样就要求中断不改变主程序的运行状态，所以中断响应时需要将程序当前运行的状态信息保存起来，比如程序运行到什么位置、当前CPU状态寄存器的状态等信息。

当中断程序执行完毕，可以通过这些信息将CPU状态寄存器恢复原来状态，并能返回原程序继续执行。

不同的单片机对此的处理方式也会有不同，一种是完全由硬件来完成，并不需要程序来进行管理；另外一种是将状态信息用相应指令保存在特定位置，返回时再用相应指令恢复原来状态。

单片机中断还有中断优先级和中断嵌套的概念，但不是所有的单片机都会支持这两种功能。

中断优先级是不同的中断会有不同的优先级别，如果同时有两个中断产生，单片机会先响应优先级高的中断。

中断嵌套是指在中断响应当中又有新的中断产生，单片机可以暂停当前的中断程序执行去响应新的中断，新中断程序执行完以后在接着执行当前中断程序。

一般中断嵌套是高优先级的中断可以插入低优先级中断响应程序，同级或低级的中断不能插入当前中断响应程序。

图1.10.-12中断嵌套示意图

中断步骤说明：

步骤①保存主程序现场，执行中断1服务程序

步骤②保存中断1服务程序现场，执行中断2服务程序

步骤③恢复中断1服务程序现场，继续执行中断1服务程序

步骤④恢复主程序现场，准备继续执行主程序，有新中断不能继续执行主程序

步骤⑤保存主程序现场，执行中断3服务程序

步骤⑥恢复主程序现场，准备继续执行主程序，有新中断不能继续执行主程序

步骤⑦保存主程序现场，执行中断4服务程序

步骤⑧恢复主程序现场，无中断产生继续执行主程序

有的单片机一进入中断函数就会自动将中断的总控制位关掉，需要开发人员在中断程序中用程序再次打开，否则一次中断后所有的中断就不能继续使用。

对于中断标志位，在写单片机程序的时候要依据单片机文档进行清除标志为操作，不然有可能会一旦产生某个中断就会连续不停的反复响应这个中断，导致主程序不能继续运行。