如何進(jìn)行RT-Thread中斷管理

本篇文章給大家分享的是有關(guān)如何進(jìn)行RT-Thread中斷管理，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家學(xué)習(xí)，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說(shuō)，跟著小編一起來(lái)看看吧。

下面是關(guān)于RT-Thread中斷管理的學(xué)習(xí)總結(jié)，包括簡(jiǎn)單地介紹了什么是中斷，裸機(jī)中斷與RT-Thread中斷有什么區(qū)別，RT-Thread是如何處理中斷的，RT-Thread內(nèi)核提供哪些中斷相關(guān)的接口，等等。

從以下幾個(gè)方面總結(jié)一下RT-Thread中斷管理的學(xué)習(xí)過(guò)程

中斷相關(guān)的概念描述

什么是中斷？中斷，顧名思義就是一項(xiàng)正在進(jìn)行的工作，突然間被其他事情打斷，導(dǎo)致原來(lái)正在進(jìn)行的工作不能繼續(xù)正常進(jìn)行，而需要去把其他事情處理完，才能回來(lái)繼續(xù)進(jìn)行原來(lái)的工作。

如何通俗地理解中斷？想象一下這樣的場(chǎng)景，周末你正在家里愉快地寫(xiě)著代碼，突然間你的手機(jī)鈴聲響了，你必須停下手里的工作，記錄代碼寫(xiě)到哪個(gè)階段，然后就去接這個(gè)電話了。“寫(xiě)代碼”就是正在進(jìn)行的工作，“電話響起”就是中斷事件。

這個(gè)電話是媳婦打過(guò)來(lái)的，她讓你去菜市場(chǎng)買(mǎi)點(diǎn)韭菜和豬肉，晚上包餃子吃，媳婦的話哪敢不聽(tīng)，于是你覺(jué)得菜市場(chǎng)買(mǎi)東西比較重要，掛掉電話后就去買(mǎi)東西了，買(mǎi)完?yáng)|西回來(lái)后，再接著寫(xiě)剛剛還沒(méi)完成的代碼?！安耸袌?chǎng)買(mǎi)東西”就是中斷服務(wù)程序，這就是一個(gè)典型的中斷處理過(guò)程。

關(guān)于中斷的操作模式和特權(quán)級(jí)別，Cortex-M的處理器有三種狀態(tài)劃分，分別是：特權(quán)級(jí)處理模式，特權(quán)級(jí)線程模式，用戶級(jí)線程模式。這三種狀態(tài)的關(guān)系，如下圖所示。

從上圖可以看出，中斷或異常的服務(wù)程序，總是處于特權(quán)級(jí)處理模式的。而RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核復(fù)位上電時(shí)啟動(dòng)的主線程（main線程），是運(yùn)行在特權(quán)級(jí)線程模式的。其他用戶創(chuàng)建的線程，是運(yùn)行在用戶級(jí)線程模式的。

為什么處理器要區(qū)分特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)？特權(quán)，顧名思義就是處理器如果工作在這個(gè)級(jí)別下，權(quán)限就會(huì)比較高，就可以訪問(wèn)一些特殊的寄存器，以防止用戶級(jí)的代碼訪問(wèn)這些特殊寄存器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行破壞。中斷由于其特殊性，所以，中斷函數(shù)是工作在特權(quán)級(jí)別下的。

裸機(jī)中斷與操作系統(tǒng)中斷兩者有什么區(qū)別呢？我們?cè)诼銠C(jī)代碼中處理硬件中斷的時(shí)候，一般只要編寫(xiě)中斷處理函數(shù)就可以了，這種方式處理中斷，簡(jiǎn)單且直接。

然而，有了操作系統(tǒng)之后，所有的東西都變了，要考慮的問(wèn)題就多了很多。因?yàn)椴僮骼锩孢\(yùn)行了很多線程，中斷來(lái)了之后，就要告知操作系統(tǒng)，把當(dāng)前運(yùn)行線程的信息保存到棧里面，再去處理中斷服務(wù)程序，處理完中斷要再回去處理線程，此時(shí)又可能涉及到線程切換調(diào)度，而線程切換本身又需要PendSV中斷參與。

所以，在裸機(jī)處理中斷和在操作系統(tǒng)中處理中斷，簡(jiǎn)直就是天壤之別。
RT-Thread 中斷處理機(jī)制

了解過(guò)Cortex-M系列單片機(jī)的工程師，一般都知道在芯片的匯編啟動(dòng)文件startup_xxx.s里面，有一個(gè)中斷向量表，所有的中斷都是通過(guò)這個(gè)中斷向量表來(lái)進(jìn)行處理的。

當(dāng)一個(gè)中斷異常觸發(fā)的時(shí)候，處理器將會(huì)判斷是哪個(gè)中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到固定位置進(jìn)行處理，每個(gè)中斷服務(wù)程序的地址入口必須是放到統(tǒng)一的地址上，也就是需要設(shè)置到NVIC的中斷向量偏移寄存器里面。

其實(shí)，不管有沒(méi)有操作系統(tǒng)的參與，一旦硬件發(fā)送中斷和異常之后，中斷的入口都是在這個(gè)中斷向量表的。區(qū)別無(wú)非就是在裸機(jī)環(huán)境下，直接處理中斷服務(wù)程序，而在有操作系統(tǒng)的情況下，需要先保留線程的運(yùn)行情況，然后再處理中斷，處理完中斷后，再恢復(fù)線程的運(yùn)行環(huán)境。

硬件中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的，任何線程的優(yōu)先級(jí)都要低于硬件中斷，因此，只要發(fā)生了硬件中斷事件，系統(tǒng)就必須要進(jìn)行相應(yīng)的處理。

RT-Thread在處理中斷的時(shí)候，一般都會(huì)有三個(gè)階段：中斷前導(dǎo)程序，中斷服務(wù)程序，中斷后續(xù)程序，這三個(gè)階段，如下圖所示。

中斷前導(dǎo)程序的主要工作是，當(dāng)中斷事件發(fā)生的時(shí)候，處理器的硬件會(huì)把當(dāng)前CPU相關(guān)的寄存器參數(shù)自動(dòng)壓入中斷棧里面。程序需要調(diào)用rt_interrupt_enter()函數(shù)，把全局變量rt_interrupt_nest進(jìn)行加1操作，這個(gè)全局變量是用來(lái)記錄中斷的嵌套層數(shù)的。

用戶中斷服務(wù)程序的主要工作分兩種情況，一種是不進(jìn)行線程切換，另一種是進(jìn)行線程切換。不進(jìn)行線程切換的話，中斷服務(wù)程序和中斷后續(xù)程序運(yùn)行完成后，將返回被中斷的線程。

而如果要進(jìn)行線程切換，則會(huì)調(diào)用rt_hw_context_switch_interrupt() 函數(shù)進(jìn)行上下文切換，這個(gè)函數(shù)主要是設(shè)置變量rt_interrupt_to_thread，然后觸發(fā)PendSV中斷。

在這里要注意一下：由于PendSV中斷的優(yōu)先級(jí)最低，不能進(jìn)行中斷搶占，因此即使觸發(fā)了該中斷，但由于此時(shí)還在用戶中斷處理函數(shù)里面，所以PendSV中斷還處于等待階段，只有退出了中斷后續(xù)程序，才會(huì)進(jìn)行PendSV中斷處理，才會(huì)進(jìn)行線程的上下文切換。所以，線程的上下文切換是不會(huì)在用戶中斷里面進(jìn)行的，是在中斷結(jié)束后進(jìn)行的。

中斷后續(xù)程序的主要工作是，通知系統(tǒng)內(nèi)核離開(kāi)中斷狀態(tài)，通過(guò)調(diào)用rt_interrupt_leave()函數(shù)，將全局變量rt_interrupt_nest進(jìn)行減1操作，然后從中斷棧里面恢復(fù)恢復(fù)CPU相關(guān)的寄存器參數(shù)。

這里恢復(fù)CPU寄存器參數(shù)的時(shí)候需要注意，如果在用戶中斷里面涉及到線程切換，那么這個(gè)時(shí)候就需要恢復(fù)到新的線程CPU寄存器參數(shù)，而不是恢復(fù)到被中斷打斷的線程CPU寄存器參數(shù)。

RT-Thread操作系統(tǒng)在處理中斷的時(shí)候，通常采用“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種方式。原因在于，操作系統(tǒng)本身不會(huì)對(duì)中斷服務(wù)程序的處理時(shí)間做任何假設(shè)和限制，但為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，用戶需要保證中斷服務(wù)程序在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成。

如何理解“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式？還是以買(mǎi)菜為例。媳婦來(lái)電話讓你到菜市場(chǎng)買(mǎi)菜（中斷事件），但你考慮到如果長(zhǎng)時(shí)間中斷不寫(xiě)代碼，會(huì)導(dǎo)致思路斷鏈，為了避免這種情況（避免長(zhǎng)時(shí)間處理中斷服務(wù)），完全可以在網(wǎng)上下單購(gòu)買(mǎi)（短時(shí)間的中斷處理），生鮮超市收到下單信息（信號(hào)量、郵件、消息隊(duì)列），就會(huì)安排快遞小哥送貨上門(mén)，買(mǎi)菜這么耗時(shí)的工作就由其他人（其他線程）去完成了。

“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式，主要是應(yīng)用在一些需要耗時(shí)處理中斷事務(wù)的場(chǎng)合，比如數(shù)據(jù)的接收和處理。通常接收數(shù)據(jù)的時(shí)間比較短，只要把接收到的數(shù)據(jù)保存下來(lái)即可，但處理數(shù)據(jù)的過(guò)程就可能比較耗時(shí)，這樣就需要分開(kāi)來(lái)處理，上半部分就是接收數(shù)據(jù)，底半部分就是耗時(shí)的數(shù)據(jù)處理。
RT-Thread中斷相關(guān)的API函數(shù)接口

為了把操作系統(tǒng)和硬件底層的中斷異常隔離開(kāi)來(lái)，RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核把中斷和異常封裝為一組抽象的接口，具體的函數(shù)接口如下圖所示。

RT-Thread中斷相關(guān)的應(yīng)用示例

RT-Thread中斷相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證中斷相關(guān)的API接口函數(shù)，例如全局中斷開(kāi)關(guān)的使用示例，通過(guò)按鍵中斷示例來(lái)驗(yàn)證“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式。

全局中斷開(kāi)關(guān)示例，主要是為了驗(yàn)證多線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，使用開(kāi)關(guān)全局中斷的方式對(duì)該全局變量進(jìn)行臨界區(qū)保護(hù)。

按鍵中斷示例主要是為了驗(yàn)證“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式。通過(guò)按鍵觸發(fā)中斷事件，在中斷服務(wù)函數(shù)里面發(fā)送郵件，通知線程進(jìn)行相應(yīng)的處理。
在irq_test.h頭文件里面，通過(guò)打開(kāi)相應(yīng)的宏定義開(kāi)關(guān)，重新編譯工程源碼，下載到開(kāi)發(fā)板即可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如下圖所示。

RT-Thread中斷應(yīng)用的注意事項(xiàng)

中斷是一種異常，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷異常的時(shí)候就必須要進(jìn)行處理，在RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里面處理中斷的時(shí)候，如果不及時(shí)處理或?qū)χ袛嗵幚聿划?dāng)，輕則會(huì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)或邏輯混亂，重則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)毀滅性地癱瘓。

在處理RT-Thread中斷異常的時(shí)候，有以下注意事項(xiàng)：

1.中斷服務(wù)程序工作在特權(quán)級(jí)處理模式，優(yōu)先級(jí)比任何線程要高，任何線程都不能搶占中斷服務(wù)程序。

2.在操作系統(tǒng)里面，可以支持中斷嵌套，高優(yōu)先級(jí)中斷可以搶占低優(yōu)先級(jí)中斷，線程的重新調(diào)度是在所有中斷都處理完之后才重新啟動(dòng)的。

3.在Cortex-M架構(gòu)里面，中斷發(fā)生時(shí)CPU的寄存器入棧是由硬件自動(dòng)完成的，中斷的前導(dǎo)程序通常只是記錄中斷的嵌套層數(shù)。

4.RT-Thread采用獨(dú)立的內(nèi)存空間作為中斷棧，而不是采用線程棧作為中斷棧，這種方式隨著線程的增加，減少內(nèi)存占用的效果也越明顯。

5.建議采用“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種方式來(lái)處理中斷異常，中斷服務(wù)程序的處理時(shí)間應(yīng)盡可能短。

6.使用全局中斷開(kāi)關(guān)是禁止多線程訪問(wèn)臨界區(qū)最簡(jiǎn)單的一種方式，這種方式可以應(yīng)用在任何場(chǎng)合，但要注意這種方式對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性影響巨大，使用不當(dāng)會(huì)破壞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。使用全局中斷鎖的時(shí)間應(yīng)盡可能短。

7.全局中斷開(kāi)關(guān)支持多級(jí)中斷嵌套使用，每次調(diào)用rt_hw_interrupt_enable()函數(shù)，可以讓系統(tǒng)恢復(fù)到關(guān)中斷之前的狀態(tài)（這個(gè)狀態(tài)有可能是關(guān)中斷也有可能是開(kāi)中斷）。

8.中斷服務(wù)程序是運(yùn)行在特權(quán)處理模式下的，在這種運(yùn)行模式里面是不能使用掛起當(dāng)前線程操作的相關(guān)函數(shù)的，因?yàn)橹袛喾?wù)程序的運(yùn)行環(huán)境里面根本不存在線程。

以上就是如何進(jìn)行RT-Thread中斷管理，小編相信有部分知識(shí)點(diǎn)可能是我們?nèi)粘９ぷ鲿?huì)見(jiàn)到或用到的。希望你能通過(guò)這篇文章學(xué)到更多知識(shí)。更多詳情敬請(qǐng)關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。