什么是中断？
中断是计算机系统中的一种机制，允许外部设备或内部事件打断CPU当前正在执行的程序，转而去处理更紧急的任务。当中断发生时，CPU会保存当前程序的执行状态（上下文），然后跳转到预先定义好的中断服务程序（ISR, Interrupt Service Routine）去执行。中断服务程序处理完毕后，CPU会恢复之前保存的上下文，继续执行被打断的程序。
中断的类型
- 外部中断（硬件中断）：由外部设备引起，例如键盘输入、鼠标点击、定时器到期、网络数据到达等。
- 内部中断（软件中断或异常）：由CPU内部事件引起，例如除零错误、非法指令、内存访问越界、系统调用（如 int 0x80）等。
C语言中的中断处理
在嵌入式C语言编程中，中断处理通常涉及以下步骤：
- 中断向量表（Interrupt Vector Table, IVT）：
- 中断向量表是一个存储中断服务程序入口地址的数组或数据结构。当特定中断发生时，CPU会根据中断号查询中断向量表，找到对应的ISR地址并跳转执行。
- 在C语言中，通常需要通过特定的编译器指令或汇编代码来设置中断向量。
- 编写中断服务程序（ISR）：
- ISR应该尽可能简短高效，因为它会打断主程序的执行。
- ISR通常用C语言编写，但可能需要特定的函数属性（如 __interrupt 或 __irq，具体取决于编译器和目标平台）来告知编译器这是一个中断处理函数。
- ISR内部应避免执行耗时操作、复杂的计算或可能导致阻塞的函数调用（如某些标准库函数）。
- 在ISR中访问共享资源时，必须特别注意同步问题，防止竞态条件。
- // 示例：一个简单的定时器中断服务程序 (伪代码)
// 具体实现高度依赖于硬件平台和编译器
__attribute__((interrupt)) // GCC specific attribute for ISR
void timer_isr(void) {
// 清除中断标志位 (非常重要)
TIMER_CLEAR_INTERRUPT_FLAG();
// 执行中断处理任务
counter++;
if (counter >= 1000) {
toggle_led();
counter = 0;
}
// ISR末尾通常由硬件或编译器自动处理返回和上下文恢复
} - 中断的使能与禁止：
- CPU通常有全局中断使能位（如ARM的CPSR寄存器中的I位）。
- 每个中断源也可能有独立的中断使能位。
- 在进入临界区代码（访问共享资源）之前，可能需要临时禁止中断，以保证操作的原子性。操作完成后再重新使能中断。
- void critical_section_example(void) {
disable_interrupts(); // 禁止全局中断或特定中断
// 访问共享资源...
enable_interrupts(); // 重新使能中断
} - 中断优先级与嵌套：
- 不同的中断源可以设置不同的优先级。高优先级的中断可以打断正在执行的低优先级中断服务程序，形成中断嵌套。
- 中断控制器的配置决定了中断的优先级和仲裁机制。
注意事项
- 可重入性：ISR应该是可重入的，即在ISR执行期间如果再次发生相同的中断，ISR能够正确处理而不会导致数据损坏或逻辑错误。
- 上下文保存与恢复：通常由硬件或编译器自动处理，但开发者需要了解其机制。
- 中断延迟：从中断发生到ISR开始执行的时间。应尽量减小中断延迟。
- 特定平台的差异：中断处理的具体实现与硬件平台（如ARM, AVR, PIC等）和所使用的编译器密切相关。
实时性
什么是实时系统？
实时系统是指系统能够在限定的时间内对外部事件或输入做出响应。其正确性不仅依赖于逻辑结果，还依赖于结果产生的时间。
实时性的分类
- 硬实时系统（Hard Real-Time System）：要求任务必须在严格的截止时间（Deadline）内完成。如果错过截止时间，可能导致灾难性后果。例如：飞行控制系统、核反应堆控制系统。
- 软实时系统（Soft Real-Time System）：允许偶尔错过截止时间，但系统性能会随之下降。错过截止时间不会导致灾难性后果，但会影响用户体验或系统效率。例如：多媒体播放、在线交易系统。
- 固实时系统（Firm Real-Time System）：介于硬实时和软实时之间。偶尔错过截止时间是可以容忍的，但结果如果迟到则完全无用。例如：某些工业控制过程。
C语言与实时性
C语言因其高效性、接近硬件的特性以及广泛的编译器支持，常用于实时系统的开发。但在C语言中实现实时性需要特别注意：
- 可预测性：
- 避免使用执行时间不确定的操作，如动态内存分配（malloc, free 在某些情况下执行时间不可预测）、某些复杂的标准库函数。
- 代码的执行路径和时间应该是可分析和可预测的。
- 中断处理：
- 如前所述，高效且低延迟的中断处理是实时性的关键。
- 中断服务程序的执行时间必须严格控制。
- 任务调度：
- 对于复杂的实时系统，通常需要实时操作系统（RTOS）来管理任务调度。
- RTOS提供优先级调度、抢占式调度等机制，确保高优先级实时任务能够及时执行。
- 常见的调度算法有：速率单调调度（RMS）、最早截止时间优先（EDF）等。
- 资源管理：
- 共享资源（如内存、外设）的访问需要通过同步机制（如互斥锁、信号量）来控制，以避免竞态条件和死锁。
- 这些同步机制本身也可能引入延迟，需要仔细设计以避免优先级反转等问题（如使用优先级继承协议）。
- 时间测量与控制：
- 精确的定时器和时间测量是实时系统的基础。
- 使用高精度硬件定时器来触发事件和测量时间间隔。
- 代码优化：
- 虽然C语言本身高效，但仍需关注代码优化，减少不必要的开销。
- 但过度优化或不当优化可能牺牲代码的可读性和可维护性，甚至引入错误。
实时操作系统 (RTOS)
RTOS是专门为实时应用设计的操作系统，它提供了任务管理、调度、同步、通信、中断管理、定时器服务等核心功能。
- 常见RTOS：FreeRTOS, VxWorks, QNX, RT-Thread, Zephyr等。
- RTOS中的C编程：开发者使用RTOS提供的API来创建任务、设置优先级、使用同步原语等。
// 示例：使用FreeRTOS创建一个任务 (伪代码)
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
void vMyTask(void *pvParameters) {
for (;;) {
// 任务具体操作
// ...
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 延时100ms
}
}
int main(void) {
// ...硬件初始化...
xTaskCreate(
vMyTask, // 任务函数
"MyTask", // 任务名
1000, // 栈大小
NULL, // 传递给任务的参数
1, // 任务优先级
NULL // 任务句柄
);
vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
for (;;); // 不应执行到这里
return 0;
}总结
在C语言中实现中断处理和保证实时性是嵌入式系统开发的核心挑战。这需要对硬件有深入的理解，精心的软件设计，以及在需要时借助RTOS的能力。关键在于确保系统的行为是可预测的，并且能够在规定的时间内对事件做出响应。