微控制器中断系统

1. 中断的基本概念
   中断是微控制器（MCU）响应外部或内部事件的机制。当特定事件（如按键按下、定时器溢出）发生时，它会暂停当前正在执行的程序，转而去执行一个称为中断服务程序（ISR） 的特定函数，执行完毕后再返回原程序继续运行。这种机制避免了MCU需要不断轮询事件是否发生，从而提高了效率。

2. 中断的分类与来源

   • 外部中断：由MCU引脚的电平变化触发（如上升沿/下降沿）。
   • 内部中断：来自片内外设，例如：
     • 定时器中断：定时器计数溢出或比较匹配时触发。
     • 串口中断：数据接收或发送完成时触发。
     • ADC中断：模数转换完成后触发。
   • 软件中断：通过程序指令主动触发，用于系统调用或调试。

3. 中断的工作流程

   • 步骤1：中断请求
     事件发生时，硬件标记一个中断标志位（例如在状态寄存器中），表示中断已 pending。
   • 步骤2：中断响应
     MCU检查该中断是否被使能（即中断允许位被设置），且当前无更高优先级中断运行。若条件满足，则：
     • 完成当前指令，保存程序计数器（返回地址）到堆栈。
     • 跳转到预定义的中断向量表，找到对应ISR的入口地址。
   • 步骤3：执行ISR
     在ISR中处理事件（例如读取传感器数据），并清除中断标志位（防止重复响应）。
   • 步骤4：中断返回
     通过特定指令（如RETI）恢复现场，从堆栈弹出程序计数器，继续原程序。

4. 中断优先级与嵌套

   • 多个中断同时请求时，优先级高的先被响应。优先级可由硬件固定或软件配置。
   • 嵌套中断：高优先级中断可打断低优先级ISR的执行，需通过全局中断使能位（如EA位）控制。

5. 中断的配置步骤（以通用MCU为例）

   • 初始化设置：
     1. 配置引脚或外设（如定时器）的工作模式。
     2. 在中断向量表中设置ISR地址。
     3. 使能特定中断源（如设置TIMSK寄存器使能定时器中断）。
     4. 设置全局中断使能（如sei()指令）。
   • ISR设计要点：
     • 尽量简短，避免长时间占用CPU。
     • 使用 volatile 变量与主程序共享数据。

6. 中断的实际应用场景

   • 实时控制：电机驱动中通过编码器中断精确测量转速。
   • 低功耗设计：MCU在休眠模式下通过中断唤醒（如传感器数据就绪）。
   • 多任务处理：在嵌入式操作系统中通过系统定时器中断实现任务调度。

7. 中断与轮询的对比

   • 中断：事件驱动，响应及时，适合异步事件。
   • 轮询：MCU主动检查事件状态，消耗更多资源，适合简单同步任务。

8. 高级特性：中断延迟与性能优化

   • 中断延迟：从事件发生到ISR开始执行的时间，受限于：
     • 当前指令执行时长。
     • 硬件响应周期。
   • 优化方法：
     • 使用低延迟中断引脚。
     • 避免在ISR中调用复杂函数。
     • 通过DMA减轻CPU负担（如数据传输由DMA完成，仅通过中断通知）。