MCU中断处理那些事（二）
前述文章，MCU中断处理那些事（一）中，我们简要介绍了16位MCU的中断处理系统的基本特点，本文基于上一次的话题继续讨论中断相关的事情。
一.MCU的中断处理过程
当一个中断事件发生时，它主要经历这样一个过程：首先是外设硬件或者MCU内核检测到这个事件，如果这个中断的优先级高于当前CPU的优先级，当前的程序执行就会停下来，接着就开启了中断服务程序ISR.
当中断服务程序执行完成时，硬件会恢复先前停止的程序运行，接着执行停下来时的下一条指令。
二.中断的分类
16位MCU会识别两种不同的中断类型，其中一种是不可以mask的Traps事件。这里我们详细了解一下Traps。Traps是一些不可以mask的，可以嵌套的中断。这些中断具有固定的中断优先级。他们存在的意义主要是检测并纠正一定的硬件和软件问题。
图1 Traps存在的意义
当用户不想去纠正一些Trap错误条件时，中断向量会指向让器件复位的代码，否则用户应用代码需要编程Trap中断向量指向纠正Trap条件的代码。
图2 Traps的种类
在dsPIC33及PIC24芯片上主要有以上几种Trap事件。一般来说，在Trap中断服务程序开始前，引起Trap的指令是允许执行完成的，所以用户需要考虑引起Traps的指令导致的一些影响。
对于Trap事件来说，他们具有固定的优先级，如振荡器失效的Trap的优先级最高，而DMAC错误的优先级最低。Trap的源是可以分为两类的，一类是Hard Trap，另一类是Soft Trap，大家需要注意。
除了Trap类型的中断之外，就是外设和I/O的外部中断。这些中断是属于一般的，可以被mask的中断，这些中断源都是来源于硬件外设的申请，例如外部中断pin，比较器中断，通信接口I2C或者UART中断等。
三.CPU的中断优先级
16位MCU的中断处理系统的一个关键特性是，用户可以对中断优先级进行设定，包括外设中断和外部中断等，对于此，我们先了解一下CPU的中断优先级的设定方式。
CPU的优先级可以设定为0-15这个范围的共16个优先级水平，所以，中断进行响应处理的一个前提是，中断的优先级必须要高于CPU的当前的优先级。
外设或者外部中断的优先级可以设定为0-7这些优先级水平，而需要注意的是CPU的8-15的优先级部分是为Traps事件所保留且是固定的。
当前执行线程的CPU的优先级是由CPU的状态寄存器SR中的IPL<0-2>位及Core的控制寄存器中的IPL3所决定，如图3和4。
图3 CPU的SR寄存器中的IPL位
图4 CORCON寄存器的IPL3位
图5 CPU优先级的设定示例
如果我们将CPU的优先级设定为7，则所有的用户中断将被disable，因为所有的外设及外部中断优先级不可能大于7.而IPL3这一位被系统设定为了1，意味着发生了Trap事件。
这里，有一个知识点需要注意，就是当器件复位后，CPU的优先级是默认为0的，也就是说它比任何优先级非0的外设中断和外部中断的优先级都要低，它是允许用户中断的。
那么，我们如何配置CPU的优先级呢？首先IPL<0-2>是可以根据用户的需要手动配置的，它可以允许配置为7，允许系统在一段时间内mask所有的外设和外部中断，以便密集执行一些CPU命令。
而IPL3是被CPU Core所设置的，它在发生Trap事件时，自动会设置为1.
四.中断的嵌套功能
中断处理系统不得不提的一个特性，就是中断嵌套，在默认设置下，16位MCU是允许中断嵌套功能的，任何一个高优先级的中断都可以打断一个低优先级的中断复位程序，去执行高优先级的中断服务程序。
这里我们有一个示例，用以说明中断嵌套的执行，如图6所示。
图6 中断嵌套示例
这里假定，当在主程序main执行任务时，有不同的优先级的三个ISR执行，此处使能了中断嵌套功能，可以看到由于CPU的优先级是0，所以优先级为4的中断打断了CPU去执行其任务，在执行过程中，优先级为7的中断触发了，所以优先执行这个7优先级中断，在此过程中，优先级为1的中断触发了，但是其优先级太低，所以排队在后面再执行。7优先级中断任务执行完之后，接着执行4优先级未执行完的任务，最终4优先级的中断执行完成，最后执行1优先级的任务。这就是一个中断嵌套的典型示例。
这里有一个知识点需要注意，在中断嵌套允许时，由于低优先级的中断可能会被打断，所以其中断延时会发生延长变化，比如它需要7个指令周期的中断延时，3个指令周期用于走出前面的中断，四个指令周期用于进入新的中断。
当用户不希望中断在执行时被其它高优先级中断打断时，那么，可以disable中断嵌套功能，具体可以在INTCON1中的NSTDIS位置位，这样在一个中断执行时，CPU的中断优先级会被强制为7，这就可以mask所有的其它中断，直到系统收到当前中断执行完成的标志，则可以执行其它中断，此时需要执行当时pending发生的最高优先级的中断。关于中断嵌套使能的功能这一个设置如图7所示。
图7 中断嵌套的mask
五.中断冲突的解决
当多个中断源同时发生时，且他们的中断优先级都是一样的值，比如，他们被设为初始化时的中断优先级4，那么此时如何解决他们的冲突呢？需要先执行响应谁呢？
事实上，每一个中断源都有一个自然优先级，这个自然优先级取决于这个中断向量在中断向量表IVT上的位置，越小编号的中断向量，其自然优先级越高。
图8 中断向量的自然优先级
所以，当出现同一个用户设定的优先级冲突时，可以以自然优先级的顺序来执行中断申请，如图8所示。
总的说来，解决中断冲突，需要首先看用户指定的中断优先级,这个在IPC寄存器中设置，如果若干中断的优先级一样，那么需要以自然优先级为顺序去响应中断。
六.中断功能的使用
在代码中使用一个中断，需要注意三个寄存器的使用，中断标志位IF，中断使能位IE，中断优先级位IPC，中断控制器会接收所有的中断申请并判断其优先级，然后发给CPU一个唯一的中断申请源，及其优先级信息，如图9所示。
图9 中断控制器的功能
这里，可以看出Trap的中断优先级为8-15，在发生Trap时CPU的CORCON寄存器中的IPL3自动设为1，表示这是Trap的发生。
需要使用一个中断，首先应该使能这个中断，比如，此处以外部中断INT0为例,将INT0IE设为1使能这个中断。
图10 中断使能示例
需要注意的是，使能中断和设置中断的优先级的顺序需要注意，一般不推荐在中断使能后，再去改变中断的优先级，这会导致在中断发生时去改变其优先级，那么可能会丢失这个中断，或者使用了错误的优先级。正确的做法是先disable中断，设定其优先级，再使能中断。
图11 中断的优先级设定
中断的优先级设定使用IPC寄存器，此处以INT0中断优先级设定为例说明，如图11所示，通过三位的优先级设定位，可以设定0-7的优先级水平，值得注意的是，当中断优先级设为0时，这个中断是不被响应的，相当于disable了这个中断。
图12 中断标志位
当一个中断或者事件发生时，中断标志位会置位为1，在用户中断服务程序中可以将其清零，作为用户程序对此中断的应答。
七．中断服务程序相关的讨论
标准的C语言规范并没有说明如何去声明一个函数作为中断服务程序，MPLAB的XC16对中断属性进行了特殊定义，用于申明一个函数作为中断服务程序。这里我们以INT0中断为例说明。
图13 中断服务程序属性声明示例
在XC16的编译器用户手册中或者芯片规格书中，我们可以找到中断服务程序预定义的名字，如图14，15所示（注：并非完整表格，仅仅截图示意）。
图14 编译器定义的中断服务程序名称
图15 编译器定义的中断服务程序名称2
从上面的INT0中断服务程序ISR来看，它的特点主要如下：
§ 没有参数；
§ void返回类型；
§ 必须使用在XC16中定义的名字；
§ 不能在main函数中调用；
在中断使能后，中断可能在任何时候发生，所以它会破坏主程序原有使用的变量，16位单片机的硬件中断处理器提供了一种机制，在堆栈中去保存和恢复CPU的背景内容。其中PC指针，PCH,PCL及CPU状态寄存器的低位字节部分SRL,是自动在堆栈中存储和恢复的。如图16所示。
图16 CPU背景保存和恢复
同时XC16还可以用额外的背景保存指令，保存和恢复诸如RCOUNT，W0-W13,W14,PSVPAG等寄存器内容。除此之外，还可以通过编译器的save属性去保存和恢复一些关心的变量，如图17所示。
图17 变量的保存和恢复
总结，本文延续前述文章，在中断处理系统初步介绍的基础上，去进一步探讨了中断的处理过程，中断的优先级，CPU的优先级，及中断的嵌套功能及如何处理中断冲突，最后通过示例介绍了中断的使用及中断服务程序的一些要求，相对完整的对中断处理有一个基本的认识，为后续进一步深入探讨奠定基础。
