《單片機(jī)中斷使用》課件

單片機(jī)中斷使用單片機(jī)中斷是單片機(jī)系統(tǒng)中重要的編程技術(shù)。它允許單片機(jī)在執(zhí)行當(dāng)前程序的同時(shí)，也能及時(shí)響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)效率。什么是中斷程序正常執(zhí)行單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，按照程序指令順序執(zhí)行。外部事件發(fā)生當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí)，需要立即處理，例如按鍵按下、定時(shí)器溢出。中斷機(jī)制中斷機(jī)制允許外部事件打斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。中斷的作用提高效率中斷允許單片機(jī)在處理主程序的同時(shí)，及時(shí)響應(yīng)外部事件或定時(shí)事件，提高系統(tǒng)效率。實(shí)時(shí)性中斷機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)，確保及時(shí)處理關(guān)鍵事件，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。靈活調(diào)度中斷可以根據(jù)事件優(yōu)先級(jí)進(jìn)行靈活調(diào)度，保證重要事件得到優(yōu)先處理，提高系統(tǒng)調(diào)度能力。中斷的特點(diǎn)事件驅(qū)動(dòng)中斷由外部事件觸發(fā)，而非程序主動(dòng)調(diào)用。當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，單片機(jī)立即暫停當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)程序處理事件。異步響應(yīng)中斷處理與主程序執(zhí)行是異步進(jìn)行的。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間無法預(yù)知，不會(huì)影響主程序的正常執(zhí)行。中斷的分類外部中斷外部中斷是由外部硬件事件觸發(fā)的，例如按鍵按下、傳感器信號(hào)變化等。內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷是由單片機(jī)內(nèi)部事件觸發(fā)的，例如定時(shí)器溢出、串口接收數(shù)據(jù)完成等。軟件中斷軟件中斷是由程序指令觸發(fā)的，例如程序執(zhí)行INT指令。中斷源的優(yōu)先級(jí)中斷源的優(yōu)先級(jí)是指中斷源的緊急程度，優(yōu)先級(jí)高的中斷源會(huì)優(yōu)先得到處理。系統(tǒng)通常會(huì)根據(jù)中斷源的優(yōu)先級(jí)來決定哪個(gè)中斷源應(yīng)該先被響應(yīng)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，中斷源的優(yōu)先級(jí)通常由硬件或軟件來設(shè)置。硬件優(yōu)先級(jí)是指通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)，而軟件優(yōu)先級(jí)是指通過程序代碼來實(shí)現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)。中斷源的優(yōu)先級(jí)設(shè)置會(huì)影響系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間，因此需要根據(jù)系統(tǒng)需求來合理設(shè)置中斷源的優(yōu)先級(jí)，以確保系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)重要的中斷事件。中斷向量表11.內(nèi)存地址中斷向量表存儲(chǔ)在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的內(nèi)存地址。22.中斷服務(wù)程序地址每個(gè)中斷向量表項(xiàng)包含中斷服務(wù)程序的起始地址，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序。33.中斷優(yōu)先級(jí)中斷向量表可以用來設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的中斷可以打斷正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷。44.靈活配置中斷向量表可以通過編程進(jìn)行配置，允許用戶根據(jù)需要自定義中斷服務(wù)程序的地址。中斷的處理過程1中斷請(qǐng)求CPU收到中斷信號(hào)2保存上下文CPU保存當(dāng)前狀態(tài)3跳轉(zhuǎn)中斷CPU跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序4執(zhí)行處理執(zhí)行中斷服務(wù)程序代碼5恢復(fù)上下文CPU恢復(fù)之前的狀態(tài)中斷處理過程是一個(gè)嚴(yán)格的流程，CPU會(huì)暫停當(dāng)前程序，處理完中斷請(qǐng)求后才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行原程序。這個(gè)過程需要精確的時(shí)序控制，保證程序的正常運(yùn)行。中斷的處理程序編寫中斷處理程序中斷處理程序是專門用于響應(yīng)特定中斷事件的代碼段。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序的地址，執(zhí)行相應(yīng)的處理邏輯。編寫要點(diǎn)中斷處理程序要簡(jiǎn)潔高效，快速響應(yīng)中斷事件。處理完中斷后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，以便程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷嵌套嵌套原理中斷嵌套是指在處理一個(gè)中斷時(shí)，另一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)暫停當(dāng)前中斷的處理，轉(zhuǎn)而處理更高優(yōu)先級(jí)的中斷。嵌套過程當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)保存當(dāng)前中斷處理程序的上下文信息，并跳轉(zhuǎn)到更高優(yōu)先級(jí)中斷的處理程序。恢復(fù)過程當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中斷處理完成后，CPU會(huì)恢復(fù)之前中斷處理程序的上下文信息，并繼續(xù)執(zhí)行之前的中斷處理程序。中斷響應(yīng)過程CPU檢測(cè)中斷信號(hào)CPU持續(xù)檢測(cè)中斷源狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)中斷信號(hào)，則會(huì)立即暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序。保存CPU狀態(tài)CPU將當(dāng)前執(zhí)行的程序計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等信息保存到堆棧，以便中斷處理完成后恢復(fù)程序執(zhí)行。中斷向量表定位CPU根據(jù)中斷源類型，通過中斷向量表找到對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)例程的地址。執(zhí)行中斷服務(wù)例程CPU跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)例程的地址，執(zhí)行相應(yīng)的處理代碼?；謴?fù)CPU狀態(tài)中斷服務(wù)例程執(zhí)行完畢后，CPU從堆棧中恢復(fù)中斷前的狀態(tài)，并返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷控制寄存器中斷控制寄存器中斷控制寄存器(InterruptControlRegister)是單片機(jī)中用于管理和控制中斷的重要寄存器。中斷控制寄存器的功能中斷控制寄存器主要用于設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)、使能或禁止中斷、清除中斷標(biāo)志等操作。中斷控制寄存器的結(jié)構(gòu)中斷控制寄存器的結(jié)構(gòu)根據(jù)單片機(jī)型號(hào)的不同而有所差異，但通常包含以下幾個(gè)部分：中斷使能位、中斷優(yōu)先級(jí)位、中斷標(biāo)志位等。中斷屏蔽11.中斷屏蔽中斷屏蔽是指禁用特定中斷源，防止中斷請(qǐng)求被處理器響應(yīng)。22.屏蔽機(jī)制單片機(jī)通常提供中斷控制寄存器，其中每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)位，置位表示屏蔽，清零表示使能。33.應(yīng)用場(chǎng)景中斷屏蔽用于避免多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)生沖突，或在特定情況下禁止特定中斷響應(yīng)。44.注意事項(xiàng)合理設(shè)置中斷屏蔽位，避免屏蔽必要的中斷，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。中斷響應(yīng)時(shí)間中斷響應(yīng)時(shí)間是指從中斷請(qǐng)求發(fā)生到中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行的時(shí)間。中斷響應(yīng)時(shí)間主要由以下因素決定：100ns指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需時(shí)間。1-2us中斷處理時(shí)間包括保存現(xiàn)場(chǎng)、跳轉(zhuǎn)到中斷向量表、查找中斷服務(wù)程序等。10-100us中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行中斷服務(wù)程序代碼所需時(shí)間，與程序復(fù)雜度有關(guān)。中斷響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)速度越快。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，中斷響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。硬件中斷硬件中斷由外部硬件設(shè)備觸發(fā)，例如鍵盤按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊等。外部設(shè)備通過中斷引腳向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)部的中斷控制器負(fù)責(zé)接收和處理中斷請(qǐng)求。軟件中斷人為觸發(fā)軟件中斷由程序員在代碼中使用指令手動(dòng)觸發(fā)，例如INT指令。調(diào)試程序軟件中斷常用于調(diào)試程序，允許程序員在特定位置暫停程序執(zhí)行，并檢查程序狀態(tài)。測(cè)試功能軟件中斷可以用來測(cè)試特定功能，例如測(cè)試程序是否正確執(zhí)行了某個(gè)函數(shù)。外部中斷定義外部中斷是通過外部引腳產(chǎn)生的中斷。引腳發(fā)生電平變化時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序。它們常用于外部事件的響應(yīng)，例如按鈕按下、傳感器觸發(fā)、外部時(shí)鐘信號(hào)。應(yīng)用場(chǎng)景外部中斷廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，例如工業(yè)自動(dòng)化、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集等。外部中斷可以用于快速響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度。內(nèi)部中斷內(nèi)部事件觸發(fā)內(nèi)部中斷由單片機(jī)內(nèi)部事件引起，例如定時(shí)器溢出、串口接收完成等。程序控制內(nèi)部中斷可以用來實(shí)現(xiàn)程序的計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?yīng)用廣泛內(nèi)部中斷是單片機(jī)應(yīng)用中非常重要的功能，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。定時(shí)器中斷定時(shí)器單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器，能夠精確地控制時(shí)間。中斷定時(shí)器達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷信號(hào)。中斷服務(wù)例程中斷服務(wù)例程會(huì)在定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行。串口中斷1數(shù)據(jù)接收中斷當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)中斷，處理接收到的數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)發(fā)送中斷當(dāng)串口發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)，觸發(fā)中斷，發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。3錯(cuò)誤中斷當(dāng)串口通信過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，觸發(fā)中斷，處理錯(cuò)誤。模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。中斷觸發(fā)當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)。中斷服務(wù)程序處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)例程編寫要點(diǎn)快速執(zhí)行中斷服務(wù)例程應(yīng)該盡可能快地執(zhí)行，以最小化對(duì)系統(tǒng)的影響。避免在中斷服務(wù)例程中進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算或長(zhǎng)時(shí)間的操作。狀態(tài)保存在進(jìn)入中斷服務(wù)例程之前，應(yīng)該保存所有可能被中斷影響的寄存器狀態(tài)。在退出中斷服務(wù)例程之前，應(yīng)該恢復(fù)所有被保存的寄存器狀態(tài)。避免死循環(huán)中斷服務(wù)例程中不能出現(xiàn)死循環(huán)，否則會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)。如果需要長(zhǎng)時(shí)間的操作，應(yīng)該將其放到中斷服務(wù)例程之外。錯(cuò)誤處理中斷服務(wù)例程應(yīng)該包含適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理機(jī)制，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)拇胧?，例如記錄日志、關(guān)閉相關(guān)設(shè)備等。中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)11.確定優(yōu)先級(jí)根據(jù)中斷源的緊急程度和重要性分配優(yōu)先級(jí)，緊急且重要的中斷源具有更高的優(yōu)先級(jí)。22.設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)方案使用嵌套中斷或中斷控制器實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，確保高優(yōu)先級(jí)中斷能夠及時(shí)響應(yīng)并處理。33.優(yōu)先級(jí)管理通過配置中斷控制器或修改中斷服務(wù)例程來動(dòng)態(tài)調(diào)整中斷優(yōu)先級(jí)，以適應(yīng)實(shí)時(shí)需求變化。中斷的使用場(chǎng)景實(shí)時(shí)控制在需要對(duì)外部事件進(jìn)行快速響應(yīng)的場(chǎng)合，中斷是必不可少的。數(shù)據(jù)采集在數(shù)據(jù)采集過程中，中斷可以及時(shí)捕獲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。異步通信在異步通信過程中，中斷可以用來處理接收到的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。多任務(wù)處理中斷可以用來實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)效率。中斷的常見問題中斷處理程序錯(cuò)誤程序邏輯錯(cuò)誤導(dǎo)致中斷處理錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或數(shù)據(jù)丟失。中斷標(biāo)志位設(shè)置錯(cuò)誤中斷標(biāo)志位設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致中斷無法正常觸發(fā)或被錯(cuò)誤觸發(fā)，影響程序正常運(yùn)行。中斷優(yōu)先級(jí)沖突多個(gè)中斷源優(yōu)先級(jí)設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致中斷處理程序執(zhí)行順序混亂，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。中斷嵌套處理錯(cuò)誤中斷嵌套處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致程序邏輯混亂，可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或數(shù)據(jù)丟失。如何調(diào)試中斷程序1設(shè)置斷點(diǎn)在中斷服務(wù)程序的入口處設(shè)置斷點(diǎn)，以便在中斷發(fā)生時(shí)程序暫停。2觀察寄存器查看中斷發(fā)生時(shí)CPU的寄存器狀態(tài)，例如程序計(jì)數(shù)器PC，堆棧指針SP，中斷狀態(tài)寄存器等。3查看內(nèi)存檢查中斷發(fā)生時(shí)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，例如變量的值、中斷向量表等。中斷的性能分析指標(biāo)影響因素優(yōu)化措施響應(yīng)時(shí)間中斷優(yōu)先級(jí)、中斷處理程序復(fù)雜度、系統(tǒng)負(fù)載合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)、簡(jiǎn)化處理程序、優(yōu)化系統(tǒng)資源吞吐率中斷頻率、中斷處理時(shí)間降低中斷頻率、優(yōu)化中斷處理程序功耗中斷頻率、中斷處理時(shí)間、中斷源降低中斷頻率、優(yōu)化中斷處理程序、選擇低功耗中斷源中斷的功耗問題中斷功耗原因中斷會(huì)增加CPU的活動(dòng)，因此會(huì)導(dǎo)致功耗增加。一些中斷處理程序需要執(zhí)行大量的計(jì)算，導(dǎo)致功耗更高。功耗優(yōu)化減少不必要的中斷，比如通過合理配置定時(shí)器或其他中斷源。優(yōu)化中斷處理程序，降低計(jì)算量和運(yùn)行時(shí)間?？紤]使用低功耗模式，在不需要中斷處理時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。如何優(yōu)化中斷優(yōu)化中斷服務(wù)例程減少中斷服務(wù)例程中的代碼量，提高中斷處理效率。降低中斷響應(yīng)時(shí)間合理設(shè)計(jì)中斷優(yōu)先級(jí)，避免低優(yōu)先級(jí)中斷阻塞高優(yōu)先級(jí)中斷。避免中斷嵌套避免中斷服務(wù)例程中調(diào)用其他中斷服務(wù)例程，以防止死鎖。中斷在應(yīng)用中的實(shí)踐11.嵌入式