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浅谈嵌入式MCU软件开发之中断优先级与中断嵌套

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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:

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        S12内核CPU的中断/异常处理流程图如下:

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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:

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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)

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        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。

胡恩伟

NXP汽车电子FAE


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