中断

关键词：中断的概念、中断服务程序（ISR）、 中断的意义、中断的类型、中断的优先级、中断的应用—程序断电、程序断点的实现原理

1. 中断的概念

• 中断是一种处理器与外设进行通信的机制
• 通信机制的原理：处理器对外设要发生的事情处于一种漠不关心的态度，当外设需要处理器处理一些事情时，外设将通知处理器处理，处理器暂停正在运行的指令流，并立即切换到另一种工作模式，即中断模式
• 用于通知处理器外部有重要事件发生，这个通知就是中断
• 中断的目的：需要处理器响应

2. 中断服务程序（ISR）

• 当中断发生时，中断服务程序会被调用
• 中断服务程序执行步骤：
  1） 从外设中读取中断状态寄存器的值，以便了解中断类型
  2）根据中断类型具体设计处理逻辑
  3）清除外设状态寄存器中的中断标识位
  4） 清除处理器中的中断标识位

• 软件工程师眼中的中断服务程序——一个C函数
• 中断服务程序规则：
  1）不能有返回值
  2）不能有参数传递
  3）必须短小高效，避免浮点运算

3. 中断的意义

• 应用程序不必关心中断的发生与处理
• 中断服务程序不必关心应用程序的执行状态
• 中断是上层应用与底层代码的分割边界
  
  

4. 中断的类型

• 硬中断（中断）：外设通过物理连线将中断信号送到处理器，即通过处理器中断信号线产生的中断
• 软中断（陷阱or异常）：通过非法指令或特殊指令触发的中断
• 虽然硬中断和软中断的机制不同，但是发生硬中断和软中断后所执行的操作或处理是一致的

5. 中断的优先级

• 处理器只有一个，处理器所接的外设有多个，当多个外设同时发起中断，即多个中断同时出现时，处理器先响应高优先级的中断
• 低优先级中的ISR执行时，可以被高优先级中断再次打断
• ISR比App Code 拥有更高的执行优先级

6. 中断的应用—程序断电

• 断点指的是调试工具用于暂停代码执行的指令位置
• 断点的实现原理为处理器的中断支持
  1） 软件断点：利用非法指令异常产生中断实现
  2） 硬件断点：利用中断寄存器的特性产生中断实现

7. 程序断点的实现原理

1）获取原程序指定行对应的代码地址
2）将代码地址中的指令替换为中断触发指令
3）在中断服务程序中将控制权交给调试程序
4）调试程序读写原程序的上下文信息
5）调试程序将代码地址中的指令还原
6）原程序从断点处继续向下执行

8. 一个工程产品案例的剖析

• 背景：
  嵌入式实时系统对时序的要求比较严格
  各个线程的执行有相对严格的时间要求

• 痛点
  断点调试在嵌入式实时系统中不适用

• 常规解决方案—日志调试法
  在代码中的关键位置添加打印语言
  打印语句尽可能详细的打印上下文信息（函数名，局部变量，等）
  当系统出现问题时，查看日志文件，分析问题

• 日志调试存在的问题
  不易维护：打印语句分散于产品代码的各个角落
  影响效率：过多的打印语句意味着过多的I/O操作，影响产品的整体执行效率
  分析困难：当日志输出量非常多的时候，很难精确定位问题

• 改进：同时结合日志调试法和断点调试法的优点，使得实时系统调试时，能够任意查看指定代码上下文的信息，并且不增加打印语句，不暂停执行

• 解决方案：
  1）获取原程序指定行对应的代码地址
  2）将代码地址中的指令替换为中断触发指令
  3）在中断服务程序中抓取全局信息和栈信息
  4）抓取的信息发送回调试程序解析并输出

声明：此文章为本人在学习狄泰软件学院《十二月提升计划》所做的笔记，参考书籍《专业嵌入式软件开发》——李云，文章中包含狄泰软件资料内容和《专业嵌入式软件开发》资料内容，一切版权归狄泰软件和《专业嵌入式软件开发》所有！