RT_Thread应用20—中断管理

第二十五章 中断管理

一、异常与中断理解

1、异常

异常：导致处理器脱离正常运行转向执行特殊代码的任何事件，指任何打断处理器正常执行，并且迫使处理器进入一个由有特权的特殊指令执行的事件。
危害：如果不及时进行处理，轻则系统出错，重则会导致系统毁灭性瘫痪。
避免：提高软件鲁棒性（稳定性）

2、中断

a. 中断含义

注意：
线程中有不少临界段的部分，不允许中断打扰，这样会造成一定影响。
比如，某个时候有一个线程在运行中，并且该线程部分程序将中断屏蔽掉，也就是进入临界段中，这个时候如果有一个紧急的中断事件被触发，这个中断就会被挂起，不能得到及时响应，必须等到中断开启才可以得到响应， 如果屏蔽中断时间超过了紧急中断能够容忍的限度，将造成很大影响。

因此，操作系统的中断在某些时候会有适当的中
断延迟，因此调用中断屏蔽函数进入临界段的时候，也需快进快出。

b. 中断介绍

c. 名词解释

d. 中断管理的运作机制

中断使得 CPU 可以在事件发生时才给予处理，而不必让 CPU 连续不断地查询是否有相应的事件发生。
通过两条特殊指令：关中断和开中断可以让处理器不响应或响应中断，在关闭中断期间，通常处理器会把新产生的中断挂起，当中断打开时立刻进行响应，所以会有适当的延时响应中断，故用户在进入临界区的时候应快进快出。

• 中断发生环境—— 中断发生在线程上下文
• 线程在工作的时候，如果此时发生了一个中断，无论中断的优先级是多大，都会打断当前线程的执行，从而转到对应的中断服务函数中执行
• 
  (1)、(3)：在线程运行的时候发生了中断，那么中断会打断线程的运行，那么操作系统将先保存当前线程的上下文环境，转而去处理中断服务函数。
  (2)、(4)：当且仅当中断服务函数处理完的时候才恢复线程的上下文环境，继续运行线程。
• 中断发生环境—— 中断服务函数处理上下文
• 在执行中断服务例程的过程中，如果有更高优先级别的中断源触发中断，由于当前处于中断处理上下文环境中，根据不同的处理器构架可能有不同的处理方式，
• 比如新的中断等待挂起直到当前中断处理离开后再行响应；或新的高优先级中断打断当前中断处理过程，而去直接响应这个更高优先级的新中断源，后面这个称为中断嵌套。
• 在硬实时环境中，前一种情况是不允许发生的，不能使响应中断的时间尽量的短。而在软件处理（软实时环境）上，RT-Thread 允许中断嵌套，即在一个中断服务例程期间，处理器可以响应另外一个优先级更高的中断，
  -
  (1) ：当中断 1 的服务函数在处理的时候发生了中断 2，由于中断 2 的优先级比中断 1 更高，所以发生了中断嵌套，那么操作系统将先保存当前中断服务函数的上下文环境，并且转向处理中断 2，当且仅当中断 2 执行完的时候(2) ，才能继续执行中断 1。

e. 中断延迟

——对于中断的处理仍然存在着中断延迟响应的问题

• 识别中断时间
  
• 等待中断打开时间
  
  允许中断嵌套的实时操作系统中：：中断也是基于优先级的，允许高优先级中断抢断正在处理的低优先级中断，所以，如果当前正在处理更高优先级的中断，即使此时有低优先级的中断，也系统不会立刻响应，而是等到高优先级的中断处理完之后，才会响应。
  不支持中断嵌套：：即中断是没有优先级的，中断是不允许被中断的
• 关闭中断时间
  

e. 中断管理的应用场景

含义：
在计算机执行程序的过程中，由于出现某个特殊情况(或称为“特殊事件”)，使得系统暂时中止现行程序，而转去执行处理这一特殊事件的程序，处理完毕之后再回到原来程序的中断点继续向下执行。
例子：
假如你正在给朋友写信，电话铃响了，这时你放下手中的笔去接电话，通话完毕再继续写信。这个例子就表现了中断及其处理的过程：电话铃声使你暂时中止当前的工作，而去处理更为急需处理的事情——接电话，当把急需处理的事情处理完毕之后，再回过头来继续原来的事情。

• 电话铃声就可以称为“中断请求”，
• 而你暂停写信去接电话就叫作“中断响应”，
• 那么接电话的过程就是“中断处理”
• 如果
  就为了接电话，而傻等待，什么都不做就会浪费时间，可以去做其他事情，可设置电话铃声，等铃声响再来接电话。
  ————CPU 也是一样，如果时间都浪费在查询的事情上，那这个 CPU 啥也干不了，要他何用。在嵌入式系统中合理利用中断，能更好利用 CPU 的资源。

f. 中断管理讲解

前提：
ARM Cortex-M 内核的中断是不受 RT-Thread 管理的，所以 RT-Thread 中的中断使用其实跟裸机差不多的，需要我们自己配置中断，并且使能中断，编写中断服务函数，
应用：
在中断服务函数中使用内核 IPC 通信机制，一般建议使用信号量、消息或事件标志组等标志事件的发生，将事件发布给处理线程，等退出中断后再由相关处理线程具体处理中断。
由于中断不受 RT-Thread 管理，所以不需要使用 RT-Thread 提供的函数（中断屏蔽与使能除外）。
ARM Cortex-M NVIC 支持中断嵌套功能：

• 当一个中断触发并且系统进行响应时，处理器硬件会将当前运行的部分上下文寄存器自动压入中断栈中，（这部分的寄存器包括 PSR，
  R0，R1，R2，R3 以及 R12 寄存器。）
• 当系统正在服务一个中断时，如果有一个更高优先级的中断触发，那么处理器同样的会打断当前运行的中断服务例程，然后把老的中断服务例程上下文的 （PSR，R0，R1，R2，R3 和 R12 寄存器自动保存到中断栈中）。
  这些部分上下文寄存器保存到中断栈的行为完全是硬件行为，这一点是与其他 ARM 处理器最大的区别（以往都需要依赖于软件保存上下文）。
• 在 ARM Cortex-M 系列处理器上，所有中断都采用中断向量表的方式进行处理，即当一个中断触发时，处理器将直接判定是哪个中断源，然后直接跳转到相应的固定位置进行处理。
• 而在 ARM7、ARM9 中，一般是先跳转进入 IRQ 入口，然后再由软件进行判断是哪个中断源触发，获得了相对应的中断服务例程入口地址后，再进行后续的中断处理。
  -————好处：有统一的入口地址，便于 OS 的统一管理