浅谈嵌入式MCU软件开发之中断优先级与中断嵌套

关键词：中断工作机制、中断优先级、中断实时性、中断嵌套

引言

    众所周知，一方面，MCU在嵌入式系统中的广泛使用的一个重要原因就是其相对于MPU和通用CPU的时效性优势。而低延迟的外设中断和中断嵌套正是MCU实时性的最大保障。另一方面，在嵌入式系统MCU软件开发中，随着系统功能的日益复杂，不论是否采用RTOS，多任务都是不可避免的。在裸奔系统中，为了让时间关键的任务得到最先响应，往往需要通过外设中断嵌套来实现，属于基于外设的硬件中断嵌套，而在RTOS中，则给所有系统任务，都赋以具体的优先级，由内核根据优先级高低来进行调度，实际上是实现了一套基于优先级的软件中断嵌套。RTOS中的任务软件嵌套通过内核tick定时器中断不断查询RTOS任务就绪表中各任务的优先级高低来实现任务切换，其外设硬件中断未必需要嵌套。

    本文旨在给大家介绍嵌入式MCU的中断处理相关知识，帮助大家理解中断，并使用好中断。

既然中断嵌套对于嵌入式系统设计如此重要，具体什么是中断嵌套呢？在具体解释中断嵌套之前，有必须要先讲一下嵌入式MCU的中断工作机制和中断优先级：

    写过裸奔程序的工程师都知道，一个内核CPU同一个时刻只能执行一个任务/程序代码/指令，比如数据计算，与片上外设进行交互通信等。代码的执行顺序是用户自己首先写好的，CPU逐行取指、译码、执行即可。产品功能的实现就是在main函数的while(1)循环中(常称作主程序)，不断的调用其他功能函数实现的。但实际工作环境中、很多事件是随机发生的，比如网络通信，外部IO输入等不确定事件，这个时候CPU就不得不放下当前正在执行的工作，却响应这些紧急事件，及时读取网络报文、处理并回复网络通信需求，及时外部IO请求。这样的处理就叫做中断。

    嵌入式MCU中内核CPU异常和各种外设工作都能够产生响应的中断，且通过中断控制器统一进行管理。这样CPU在中断未产生时就可以专心处理顺序执行的任务，而只有在中断产生时才通过中断控制器中断CPU(通过产生一个高电平/低电平信号给CPU，这个过程被称为中断请求)，如果此时CPU全局中断处于使能状态，则CPU会结合中断向量表和中断优先级配置，根据中断优先级高低(如果同时有多个外设中断发生)，从中断向量表中取出优先级最高的中断服务程序ISR地址，将当前CPU的运行时环境压栈，之后跳转至该中断ISR地址运行；若此时CPU全局中断处于关闭状态，则忽略当前中断请求。

下图为典型CPU正常主程序处理流程与外设中断响应的关系图：

    S12内核CPU的中断/异常处理流程图如下：

中断响应--中断ISR与中断实时性

    当中断产生后，中断控制器就会请求内核CPU进行中断响应，其典型的响应就是CPU运行事先准备好的中断ISR。

中断ISR不同于其他用户软件程序，属于一类特殊的函数，原因入下：

    1. 中断ISR必须是void型的无参数传递函数--无形参无返回值；

    2.中断ISR由硬件外设触发，而非其他函数调用，其运行时机具有随机不确定性和硬件实时性

    3.中断ISR运行时间必须尽量短，以保证外设中断的实时性；

在中断ISR中需要完成以下工作：

1. 将引起该中断请求的外设中断标志清除，保证外设不因该中断ISR运行而丢失下一次中断，而CPU在中断退出后可以处理其他任务；

2. 处理外设中断事件，典型如定时计数，通信外设RX数据接收或者TX数据buffer填充等；

为了保证中断的实时性，中断ISR程序要尽量短，不能条件等待语句甚至将死循环语句放在中断ISR内。建议用户一般只把关键处理放在中断ISR中，其他相关的一般性工作放在主程序中执行。典型例子如CAN的数据接收放在CAN RX 中断ISR中，而通过全局变量通知主程序执行相关的诊断协议(如UDS)。

中断优先级与中断嵌套

中断优先级是指内核CPU在响应硬件外设中断时的先后顺序，当不同的硬件外设中断产生时，高优先级的外设其中断ISR最先被内核执行；

中断嵌套是指在外设中断具有不同的优先级，在CPU响应低优先级中断的时候(也就是运行中断ISR时)，打开CPU全局中断，如果此时有更高优先级的中断到来，CPU能够停下当前的中断处理区响应优先级高的中断，从而保证高优先级任务外设响应实时性的情况：

一个三级中断优先级嵌套的典型嵌套流程如下所示：

总结一下中断嵌套发生的必要条件：

    1. 不同的外设中断源必须有不同的优先级

一些MCU的中断优先级时固定不可配置的，如S12G系列MCU，其外设中断优先级固定，中断向量地址越高的优先级越高)；而另外一些MCU的中断优先级是可以灵活配置的，如S12XE系列MCU的外设中断具有8个优先级设置和Qorivva MPC56xx系列MCU的外设中断有16个优先级可以配置，此类MCU其默认所有外设优先级相同，所以要进行中断嵌套，需要根据外设任务的重要性对相应外设配置不同的优先级；

    2. 在中断ISR中必须打开CPU全局中断

几乎所有嵌入式MCU的默认在进中断压栈的时候都是关闭CPU全局中断的，也就是默认禁止中断嵌套的，要使能中断嵌套，用户必须在可以被嵌套的外设中断ISR中手动打开CPU的全局中断。

下图为S12内核CPU中断压栈过程，压栈CCR寄存器，关闭全局中断的处理，箭头所指红圈中，硬件置位 I-BIT(禁止I-bit外设中断)、S-BIT(禁止STOP低功耗指令)和X-BIT(禁止XIRQ中断)(注：该过程是用户不可控且不可中断的"原子"操作)

打开全局中断的时机需要根据具体任务来决定，一般建议在中断ISR中，清除当前外设中断标志后打开即可。

    注意，在一些高级MCU中，比如Qorivva MPC56xx和基于ARM Cortex M4F内核的最先汽车级MCU--S32K系列MCU中还集成了DMA，其也可以响应大部分的片上外设中断，这时，外设中断标志就由DMA来清除，然后完成外设数据的搬移(无需编写外设中断ISR了)，从而减少了CPU被外设中断的频次，提高CPU的工作效率。

    另外， 通过以上分析结合上一篇分享文章--浅谈嵌入式MCU软件开发之应用工程的堆与栈，嵌入式MCU中断嵌套需要较大的堆栈(stack)消耗，所以嵌入式MCU中断嵌套层数不宜过多，否则容易出现堆栈溢出。

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胡恩伟

NXP汽车电子FAE

2017年7月21日于山城·重庆

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