關鍵詞：中斷工作機制、中斷優先級、中斷實時性、中斷嵌套
引言
眾所周知，一方面，MCU在嵌入式系統中的廣泛使用的一個重要原因就是其相對於MPU和通用CPU的時效性優勢。而低延遲的外設中斷和中斷嵌套正是MCU實時性的最大保障。另一方面，在嵌入式系統MCU軟件開發中，隨着系統功能的日益復雜，不論是否采用RTOS，多任務都是不可避免的。在裸奔系統中，為了讓時間關鍵的任務得到最先響應，往往需要通過外設中斷嵌套來實現，屬於基於外設的硬件中斷嵌套，而在RTOS中，則給所有系統任務，都賦以具體的優先級，由內核根據優先級高低來進行調度，實際上是實現了一套基於優先級的軟件中斷嵌套。RTOS中的任務軟件嵌套通過內核tick定時器中斷不斷查詢RTOS任務就緒表中各任務的優先級高低來實現任務切換，其外設硬件中斷未必需要嵌套。
本文旨在給大家介紹嵌入式MCU的中斷處理相關知識，幫助大家理解中斷，並使用好中斷。
既然中斷嵌套對於嵌入式系統設計如此重要，具體什么是中斷嵌套呢？在具體解釋中斷嵌套之前，有必須要先講一下嵌入式MCU的中斷工作機制和中斷優先級：
寫過裸奔程序的工程師都知道，一個內核CPU同一個時刻只能執行一個任務/程序代碼/指令，比如數據計算，與片上外設進行交互通信等。代碼的執行順序是用戶自己首先寫好的，CPU逐行取指、譯碼、執行即可。產品功能的實現就是在main函數的while(1)循環中(常稱作主程序)，不斷的調用其他功能函數實現的。但實際工作環境中、很多事件是隨機發生的，比如網絡通信，外部IO輸入等不確定事件，這個時候CPU就不得不放下當前正在執行的工作，卻響應這些緊急事件，及時讀取網絡報文、處理並回復網絡通信需求，及時外部IO請求。這樣的處理就叫做中斷。
嵌入式MCU中內核CPU異常和各種外設工作都能夠產生響應的中斷，且通過中斷控制器統一進行管理。這樣CPU在中斷未產生時就可以專心處理順序執行的任務，而只有在中斷產生時才通過中斷控制器中斷CPU(通過產生一個高電平/低電平信號給CPU，這個過程被稱為中斷請求)，如果此時CPU全局中斷處於使能狀態，則CPU會結合中斷向量表和中斷優先級配置，根據中斷優先級高低(如果同時有多個外設中斷發生)，從中斷向量表中取出優先級最高的中斷服務程序ISR地址，將當前CPU的運行時環境壓棧，之后跳轉至該中斷ISR地址運行；若此時CPU全局中斷處於關閉狀態，則忽略當前中斷請求。
下圖為典型CPU正常主程序處理流程與外設中斷響應的關系圖：
S12內核CPU的中斷/異常處理流程圖如下：
中斷響應--中斷ISR與中斷實時性
當中斷產生后，中斷控制器就會請求內核CPU進行中斷響應，其典型的響應就是CPU運行事先准備好的中斷ISR。
中斷ISR不同於其他用戶軟件程序，屬於一類特殊的函數，原因入下：
1. 中斷ISR必須是void型的無參數傳遞函數--無形參無返回值；
2.中斷ISR由硬件外設觸發，而非其他函數調用，其運行時機具有隨機不確定性和硬件實時性
3.中斷ISR運行時間必須盡量短，以保證外設中斷的實時性；
在中斷ISR中需要完成以下工作：
1. 將引起該中斷請求的外設中斷標志清除，保證外設不因該中斷ISR運行而丟失下一次中斷，而CPU在中斷退出后可以處理其他任務；
2. 處理外設中斷事件，典型如定時計數，通信外設RX數據接收或者TX數據buffer填充等；
為了保證中斷的實時性，中斷ISR程序要盡量短，不能條件等待語句甚至將死循環語句放在中斷ISR內。建議用戶一般只把關鍵處理放在中斷ISR中，其他相關的一般性工作放在主程序中執行。典型例子如CAN的數據接收放在CAN RX 中斷ISR中，而通過全局變量通知主程序執行相關的診斷協議(如UDS)。
中斷優先級與中斷嵌套
中斷優先級是指內核CPU在響應硬件外設中斷時的先后順序，當不同的硬件外設中斷產生時，高優先級的外設其中斷ISR最先被內核執行；
中斷嵌套是指在外設中斷具有不同的優先級，在CPU響應低優先級中斷的時候(也就是運行中斷ISR時)，打開CPU全局中斷，如果此時有更高優先級的中斷到來，CPU能夠停下當前的中斷處理區響應優先級高的中斷，從而保證高優先級任務外設響應實時性的情況：
一個三級中斷優先級嵌套的典型嵌套流程如下所示：
總結一下中斷嵌套發生的必要條件：
1. 不同的外設中斷源必須有不同的優先級
一些MCU的中斷優先級時固定不可配置的，如S12G系列MCU，其外設中斷優先級固定，中斷向量地址越高的優先級越高)；而另外一些MCU的中斷優先級是可以靈活配置的，如S12XE系列MCU的外設中斷具有8個優先級設置和Qorivva MPC56xx系列MCU的外設中斷有16個優先級可以配置，此類MCU其默認所有外設優先級相同，所以要進行中斷嵌套，需要根據外設任務的重要性對相應外設配置不同的優先級；
2. 在中斷ISR中必須打開CPU全局中斷
幾乎所有嵌入式MCU的默認在進中斷壓棧的時候都是關閉CPU全局中斷的，也就是默認禁止中斷嵌套的，要使能中斷嵌套，用戶必須在可以被嵌套的外設中斷ISR中手動打開CPU的全局中斷。
下圖為S12內核CPU中斷壓棧過程，壓棧CCR寄存器，關閉全局中斷的處理，箭頭所指紅圈中，硬件置位 I-BIT(禁止I-bit外設中斷)、S-BIT(禁止STOP低功耗指令)和X-BIT(禁止XIRQ中斷)(注：該過程是用戶不可控且不可中斷的"原子"操作)
打開全局中斷的時機需要根據具體任務來決定，一般建議在中斷ISR中，清除當前外設中斷標志后打開即可。
注意，在一些高級MCU中，比如Qorivva MPC56xx和基於ARM Cortex M4F內核的最先汽車級MCU--S32K系列MCU中還集成了DMA，其也可以響應大部分的片上外設中斷，這時，外設中斷標志就由DMA來清除，然后完成外設數據的搬移(無需編寫外設中斷ISR了)，從而減少了CPU被外設中斷的頻次，提高CPU的工作效率。
另外， 通過以上分析結合上一篇分享文章--淺談嵌入式MCU軟件開發之應用工程的堆與棧，嵌入式MCU中斷嵌套需要較大的堆棧(stack)消耗，所以嵌入式MCU中斷嵌套層數不宜過多，否則容易出現堆棧溢出。
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胡恩偉
NXP汽車電子FAE
2017年7月21日於山城·重慶