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文 | 无际（微信:2777492857）
全文约5582字，阅读大约需要 10 分钟
前段时间，特训营有个小哥说面试被考到了中断。
中断怎么定义？如何规划优先级？运行时触发，程序怎么处理？
我一想，这个问题极大概率是高频的面试题，所以写篇文章来记录下。
为了更好理解，我先来举例一个需求。
比如写个流水灯，写个按键检测，大多数新手的做法是一个 while(1) 大循环，里面老老实实地顺序执行。
然后，需求来了。老板（或者你自己的脑洞）说：我要流水灯亮着，同时按下按键，灯就灭了，松开又恢复。或者更狠：我要一个按键实现按下点亮，再按下熄灭，而且不能有任何误触或延迟。
你吭哧吭哧写代码：
C |
运行一看，啪！脸肿了。按键有时候灵，有时候不灵。流水灯跑得好好的，但当你按住按键不放，或者快速连击时，整个程序感觉都卡住了，流水灯也停了。你挠头：按键代码就那么几行，怎么会影响到上面的流水灯呢？
更要命的是，如果现在又加一个需求：定时器每 100ms 翻转一个 LED 的状态。你再把定时器的逻辑也塞到 while(1) 里，用软件延时或者一个变量计数来实现，代码很快就变得像一坨。。。耦合严重，逻辑混乱，bug 百出。你改了定时器的 bug，按键又不灵了；修好了按键，发现串口接收数据又丢了。
为什么会这样？因为你的程序是线性思维，它总是从上往下，一行一行执行。
当它在执行流水灯的延时时，它是“听不见”按键被按下的声音的；当它在等待按键释放时，它也“看不见”定时器已经溢出了。
你试图用一个 while(1) 把所有事情串起来，不断地去“询问”每个外设状态好了没（这就是所谓的轮询 Polling），这在任务少的时候勉强可以，但任务一多、时效性要求一高，立刻捉襟见肘，顾此失彼。CPU看起来很忙，但效率低下，响应迟钝。
这些痛点不解决，你的代码永远只是玩具，无法应对真实世界的复杂性和实时性要求。产品不稳定，调试周期漫长，你将花费大量时间追查那些看似随机出现的 bug，最终可能对单片机编程产生深深的挫败感。
而要解决这些问题，成为一个真正能写出稳定、高效、实时性强单片机程序的工程师，你必须掌握一项核心技能——中断。
本文将带你：
1.彻底理解什么是中断，它和函数调用有何本质区别。
2.弄清楚中断是如何被触发，CPU 又是如何响应的。
3.搞明白单片机是如何处理多个中断同时到来的——中断优先级。
4.学习在中断服务程序（ISR）中应该做什么，不应该做什么，以及如何与主程序协同工作。
理解这4点，你将吊打大部分关于中断的面试题了。
一、中断的真面目：不是打断，而是高效响应
中断（Interrupt），顾名思义，就是在程序正常执行过程中，被一个“事件”打断。但请注意，这个“打断”不是粗暴地戛然而止，而是一种有序、高效的流程切换。
想象一下，你正在专心看书（主程序 while(1) 循环），突然门铃响了（中断事件发生）。你不会直接把书撕了冲出去，对吧？你会：
1.记住看到第几页第几行了（保存当前程序的上下文，比如寄存器状态、程序计数器 PC 的值）。
2.合上书，起身去开门（CPU 跳转到中断服务程序 Interrupt Service Routine，ISR 的入口地址）。
3.处理敲门这件事（执行 ISR 里的代码，比如看看是谁，拿个快递）。
4.处理完后，关上门（ISR 执行完毕）。
5.回到书桌前，翻到刚才记住的那页那行（恢复之前保存的上下文）。
6.继续看书，好像什么都没发生过一样（CPU 返回到主程序被打断的地方，继续往下执行）。
这就是中断的基本流程。中断的本质是 CPU 暂停当前任务，转而去处理一个更紧急或优先级更高的事件，处理完后再返回原来的任务继续执行。
它和函数调用有什么区别？
•触发方式不同： 函数调用是你自己在代码里明确写 FunctionName() 去调用的，是程序主动的行为。中断是外部事件（硬件信号、定时器溢出、串口接收到数据等）或特定软件指令被动触发的。
•发生时刻不确定： 你知道函数调用会在你写的那一行发生。中断的发生时刻则取决于外部事件，可能在你程序执行的任何指令之后发生。
•CPU 处理流程不同： 函数调用涉及到将返回地址压栈，然后跳转。中断的流程更复杂，需要硬件自动或软件辅助保存和恢复整个运行环境（寄存器组、状态字等），并且通常会涉及中断向量表的查找。
•目的不同： 函数调用是为了复用代码或模块化功能。中断是为了在不确定时间点快速响应异步事件，提高系统的实时性和效率。
二、中断的触发与CPU的响应
中断的触发源多种多样，几乎单片机的所有外设都可以产生中断请求：
•外部中断： 某个引脚的电平变化（上升沿、下降沿或高低电平）。比如按键按下或释放。
•定时器中断： 定时器计数到设定值溢出，或者捕获/比较匹配。用于实现精确延时、周期性任务、波形生成等。
•通信中断： 串口接收到数据、发送完成、SPI/I2C 传输完成等。
•ADC 中断： 模数转换完成。
•其他： 比较器中断、DMA 传输完成中断、掉电检测中断等等，取决于具体的单片机型号。
一个中断的发生，通常需要满足几个条件：
1.中断源产生请求： 比如按键按下导致引脚电平变化，定时器计数溢出。这会在外设的一个状态寄存器中设置一个“中断标志位”（Interrupt Flag）。
2.该中断源被使能： 你需要在软件中配置允许这个特定的中断源发出请求。
3.全局中断被使能： 有一个总开关控制 CPU 是否响应任何中断请求。通常是一个寄存器位（如 ARM Cortex-M 的 PRIMASK 或总的使能位）。全局中断关闭时，外设中断请求依然会产生并设置标志位，但 CPU 不会理会，直到全局中断再次开启。
4.优先级允许： 如果当前 CPU 正在处理一个中断（或全局中断关闭），新到来的中断优先级必须高于当前正在处理的中断，CPU 才会暂停当前 ISR 转而处理新的中断（这叫中断嵌套或抢占）。
当满足条件后，CPU 会执行以下响应流程（不同架构略有差异，但核心思想一致）：
1.完成当前指令： CPU 会等待当前正在执行的指令执行完毕。
2.保存上下文： CPU 会将当前重要的寄存器值（包括程序计数器 PC、状态寄存器 SREG/PSR 等）自动或通过硬件机制压入栈中，以便将来恢复。
3.确定中断源与 ISR 地址： CPU 会通过中断向量表（Interrupt Vector Table）查找与该中断源对应的中断服务程序的入口地址。中断向量表是存储在闪存（Flash）中，由一系列地址组成的表格。每个中断源对应表中的一个固定位置，该位置存储的就是其 ISR 的地址。
4.跳转执行 ISR： CPU 修改 PC 的值，跳转到对应的 ISR 地址，开始执行中断服务程序中的指令。
5.清除中断标志： 在 ISR 的开头或合适位置，必须通过软件清零该中断源对应的中断标志位。这是至关重要的一步！如果不清，ISR 执行完返回后，CPU 会发现标志位依然是置位的，就会认为中断事件还在发生，于是又立刻再次进入同一个 ISR，导致程序卡死在这里。
6.执行 ISR 内容： 处理中断事件。
7.返回： ISR 执行完毕后，通过一条特殊的返回指令（如 ARM Cortex-M 的 BX LR 配合特定的链接寄存器值，或者 AVR 的 RETI）告知 CPU 中断处理完成。
8.恢复上下文： CPU 从栈中弹出之前保存的寄存器值，恢复到中断发生前的状态。
9.继续主程序： CPU 修改 PC 的值，回到主程序之前被打断的地方，继续执行下一条指令。
整个过程是硬件和软件协同完成的，非常高效。主程序甚至“感受不到”被打断的过程，除了执行时间稍微变长了一点。
所以真正理解中断的触发和响应机制，不用死记硬背，不一定非得怼这些专业术语，哪怕能用业余的话说出来，面试大概率也没啥问题。
三、中断优先级：谁更重要，谁说了算？
如果多个中断事件几乎同时发生，或者一个中断正在被服务时，另一个中断也发生了，CPU 该怎么办？这就需要中断优先级机制。
中断优先级决定了：
1.服务顺序： 如果多个中断请求同时到达，CPU 会优先响应优先级最高的中断。
2.是否可以打断： 一个正在执行的低优先级 ISR 可以被更高优先级的中断打断（中断嵌套），但一个高优先级 ISR 不会被低优先级中断打断。
中断优先级的实现方式取决于单片机架构：
•简单架构： 可能只有固定优先级，比如51单片机，或者通过中断向量表中位置的先后决定优先级。
•复杂架构（如 ARM Cortex-M）： 提供灵活的优先级配置。通常有一个主优先级（Preempt Priority）和一个子优先级（Subpriority），比如STM32。
￮主优先级： 决定了中断是否可以抢占（打断）另一个正在执行的 ISR。主优先级高的可以打断主优先级低的。
￮子优先级： 当多个中断请求具有相同的主优先级时，子优先级决定了它们的服务顺序。子优先级高的先被服务，但在某个 ISR 执行期间，同主优先级的其他中断请求会被挂起，不会发生抢占。
配置中断优先级通常涉及到设置中断控制器（如 ARM 的 NVIC）的寄存器。
你需要为每个使能的中断源分配一个优先级数值。记住，优先级数值和优先级高低的方向可能相反（比如数值越小优先级越高，或反之），具体取决于芯片手册的规定，查手册是王道！
合理划分中断优先级至关重要：
•高优先级： 赋予那些对响应时间要求极高的中断，比如紧急告警、高速数据接收（避免丢帧）。但要注意，高优先级 ISR 越短越好，因为它会阻止所有同级或低级中断以及主程序的执行。
•低优先级： 赋予那些时间要求不那么严格的中断，比如按键、周期性但不紧急的任务。
•同优先级： 具有相同主优先级的中断不能相互抢占，这可以简化共享资源的访问控制，但可能导致较高子优先级的中断被较低子优先级的“堵塞”一会儿。
一个常见的误区是，认为优先级越高越好。优先级过高且 ISR 过长的中断，可能导致低优先级中断长时间得不到响应，甚至丢失事件。所以，优先级设置是一个权衡的过程。
四、中断服务程序（ISR）里能干什么？运行时程序怎么处理？
ISR 是中断机制的核心，它是你编写的处理特定中断事件的代码块。不过，ISR 的执行环境非常特殊，有严格的行为规范。
ISR 的黄金法则：快进快出！
在 ISR 里，你应该只做最紧急、最核心、能快速完成的事情。原因如下：
1.阻塞效应： 大多数单片机在执行 ISR 时，会默认关闭同级或低优先级中断，高优先级中断可以抢占。ISR 执行时间越长，其他中断被延迟或主程序被暂停的时间就越长，可能导致系统响应变慢，甚至丢失其他事件。
2.栈空间有限： 中断会使用栈来保存上下文，如果 ISR 调用了太多函数或使用了大量局部变量，可能导致栈溢出。
3.共享资源问题： ISR 和主程序（或其他 ISR）可能同时访问同一个全局变量或硬件资源，如果不加以保护，可能发生数据混乱，即竞态条件（Race Condition）。
所以在 ISR 里通常做什么？
•清除中断标志位！ （再次强调，非常重要）
•快速记录事件： 比如置一个标志位，表示某个事件发生了。
•存取关键数据： 如果是通信中断，可能需要将接收到的数据快速读到缓冲区里。如果是 ADC 中断，读取转换结果。
•少量寄存器操作： 直接对外设寄存器进行简单配置。
在 ISR 里应避免什么？
•耗时操作： 浮点运算、复杂的数学计算、长时间的循环、延时函数（delay\_ms()）、打印输出（printf）。
•可能会阻塞的操作： 等待一个标志位、等待一个外设完成（除非是该 ISR 对应的外设）。
•动态内存分配（malloc/free）。
•调用非重入函数： 如果一个函数在被 ISR 打断后，又在 ISR 里被调用，而这个函数内部使用了非可重入的资源（比如全局变量或静态变量没有保护），就会出问题。标准的库函数（如部分字符串处理函数、动态内存函数）往往不是可重入的，要小心使用。
•复杂的同步机制： 信号量、互斥锁等在 ISR 中使用需要非常谨慎，容易引发死锁或性能问题。
那那些耗时的处理逻辑放哪里？
通常的做法是：ISR 只负责“感知”和“记录”，真正的“处理”放在主程序 while(1) 循环里。
ISR 在检测到事件后，快速设置一个全局标志位，或者将数据存入一个 FIFO 队列。
比如我们无际单片机特训营的项目，对于串口中断这种数据流，一般会存在队列里。
然后主程序在 while(1) 循环中不断地检查这些队列，发现有事件发生，就取出数据进行处理。
这是一种经典的中断处理模式：中断通知+ 主循环处理，大多企业级项目都采用这种方式。
来看前面提到的定时器翻转 LED 的例子，使用中断怎么实现：
volatile unsigned char timer_100ms_flag = 0; // volatile 告诉编译器，这个变量可能在编译器不知道的时候被改变（比如在中断里）// 定时器中断服务程序 (伪代码)void Timer_IRQHandler(void){if (TIMER_IS_EXPIRED()) // 检查是不是这个定时器触发的中断{timer_100ms_flag = 1; // 设置标志位，通知主循环TIMER_CLEAR_FLAG(); // 清除硬件中断标志 - 必须做！}}int main(void){// ...初始化 LED, 定时器...// 配置定时器，使其每 100ms 产生一次中断请求// 使能定时器中断TIMER_INTERRUPT_ENABLE();// 使能全局中断GLOBAL_INTERRUPT_ENABLE(); // 通常是 __enable_irq() 或者 sei() 等指令while (1){// 主循环做其他事情...if (timer_100ms_flag) // 检查定时器标志{timer_100ms_flag = 0; // 清除标志位// 在主循环里执行耗时的处理LED_TOGGLE(); // 翻转 LED 状态}// 主循环还可以检查其他标志位，处理其他事件...// 比如检查按键中断设置的标志位，处理按键逻辑// 检查串口接收中断设置的标志位，处理接收到的数据}}
定时器中断每 100ms 发生一次，ISR 只是简单地设置一个标志位并清除硬件标志。LED 的翻转操作放在了主循环里。这样，即使 LED_TOGGLE() 函数有点慢，它也只影响主循环的处理速度，不会阻塞定时器中断本身（当然，如果主循环处理太慢，可能会导致标志位一直为 1，但中断本身不会丢失，只是后续处理延迟了）。
这种模式分离了中断的快速响应和主循环的复杂处理，提高了系统的并发性和稳定性。
volatile 关键字对于在 ISR 和主程序之间共享的变量至关重要，它强制编译器每次都从内存中读取该变量的值，而不是使用寄存器中的缓存值，避免了优化导致的错误。
end
下面是更多无际原创的个人成长经历、行业经验、技术干货。
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