中断的工作流程

中断的运行并非 “瞬间完成”，而是遵循一套严谨的硬件与软件协同流程，从 “事件触发” 到 “任务恢复” 可分为五个核心阶段：中断请求、中断响应、现场保护、执行 ISR、现场恢复与返回。每个阶段都有明确的硬件逻辑与软件规则，确保中断处理的正确性与高效性。

（一）中断请求：事件的 “信号传递”

中断流程的起点是 “中断请求（IRQ, Interrupt Request）”—— 当外设或内部模块发生特定事件时（如按键按下导致 GPIO 引脚电平变化、定时器计数达到设定值、串口接收缓冲区有数据），会向 MCU 的 “中断控制器” 发送一个硬件信号（通常是电平信号或脉冲信号），表明 “需要紧急处理”。

不同嵌入式芯片的中断请求机制存在差异，但核心逻辑一致：首先，外设需具备 “中断使能” 开关 —— 只有当外设自身的中断使能位被置 1 时，事件发生才会触发 IRQ（例如，要让串口接收数据触发中断，需先开启串口的 “接收中断使能位”）；其次，中断请求需经过 “同步电路”—— 由于外设时钟与 MCU 核心时钟可能不同步（如外设用 32kHz 时钟，核心用 100MHz 时钟），IRQ 信号需经过 1-2 个核心时钟周期的同步，避免 metastability（亚稳态）导致的信号误判；最后，中断请求会被暂存在中断控制器的 “挂起寄存器（Pending Register）” 中，等待 MCU 响应 —— 即使 MCU 暂时无法处理（如正在执行更高优先级任务），IRQ 信号也会被挂起保存，不会丢失。

（二）中断响应：MCU 的 “优先级判断”

当 MCU 接收到中断请求后，并非立即响应，而是先进行 “中断响应条件判断”，核心是 “是否允许中断” 与 “中断优先级是否足够高”。

首先是 “全局中断使能” 判断：MCU 有一个 “全局中断使能位”（如 ARM Cortex-M 系列的 PRIMASK 寄存器），只有当该位为 0 时（全局中断允许），MCU 才会响应中断；若该位为 1（全局中断禁止），则所有可屏蔽中断都会被忽略，仅不可屏蔽中断（NMI）能强制响应 —— 这一机制用于处理 “临界区”（如主程序与 ISR 共享数据时，需禁止中断避免数据混乱）。

其次是 “中断优先级判断”：当多个中断请求同时挂起时，中断控制器会根据预设的 “中断优先级”，选择优先级最高的中断进行响应。嵌入式系统的中断优先级通常分为 “抢占优先级” 与 “子优先级”（如 Cortex-M 的 NVIC 控制器）：抢占优先级高的中断可打断正在执行的低抢占优先级 ISR（即 “中断嵌套”）；若两个中断的抢占优先级相同，则比较子优先级，子优先级高的先响应；若抢占优先级与子优先级均相同，则按 “中断编号” 的默认顺序响应（如编号小的优先）。例如，“电机过载保护中断”（抢占优先级 1）可打断正在执行的 “按键扫描中断”（抢占优先级 2），而 “串口接收中断” 与 “SPI 接收中断”（均为抢占优先级 2，子优先级 1 与 2）则按子优先级顺序响应。

当满足响应条件时，MCU 会启动 “中断响应序列”：首先，禁止同优先级及更低优先级的中断（防止响应过程中被打断）；其次，自动保存 “上下文现场”—— 将当前的程序计数器（PC，记录下一条要执行的指令地址）、程序状态寄存器（PSR，记录 CPU 状态）、通用寄存器（R0-R3 等）的值压入栈（Stack）中，确保后续能准确恢复常规任务；最后，根据 “中断向量表” 找到对应的 ISR 入口地址，将 PC 指向该地址，正式进入 ISR 执行阶段。

（三）现场保护与 ISR 执行：事件的 “核心处理”

尽管 MCU 在中断响应阶段已自动保存部分寄存器（如 R0-R3、PC、PSR），但对于其他通用寄存器（如 R4-R11），若 ISR 中会修改这些寄存器的值，则需要在 ISR 开头手动进行 “现场保护”—— 将这些寄存器的值压入栈中；若 ISR 中不修改，则无需保护，以减少处理延迟。这一环节的核心原则是 “谁修改，谁保护”，避免 ISR 执行后，常规任务的寄存器值被篡改，导致程序运行异常。

中断服务程序（ISR）是中断处理的 “核心逻辑”，其设计直接决定中断处理的效率与可靠性。ISR 的核心要求是 “短小精悍”—— 仅处理与中断事件直接相关的必要操作，避免执行复杂运算、循环或调用耗时函数（如 printf、动态内存分配）。例如，按键中断的 ISR 应仅做 “置位按键标志位” 或 “读取按键值并缓存”，而将 “按键防抖处理”“执行按键对应的功能（如开灯）” 交给主程序；串口接收中断的 ISR 应仅做 “将接收数据存入缓冲区”，而将 “数据解析”“数据处理” 交给主程序。这样设计的原因在于：ISR 执行时间越长，中断延迟与嵌套冲突的风险越高，甚至可能导致低优先级中断被长期阻塞，丢失重要事件。

此外，ISR 中还需注意 “中断清除”—— 部分外设的中断请求会在事件发生后持续有效（如定时器溢出中断），若 ISR 中不手动清除 “中断挂起位”，则 ISR 执行完成后，中断控制器会认为中断请求仍存在，立即再次触发中断，导致 “中断风暴”（ISR 无限循环执行）。中断清除的方式因外设而异：有的需要清除外设自身的中断挂起位（如定时器的 SR 寄存器），有的需要通过读取数据自动清除（如串口接收数据后，读取 DR 寄存器即可清除接收中断挂起位）。

（四）现场恢复与中断返回：任务的 “无缝衔接”

ISR 执行完成后，需要进行 “现场恢复” 与 “中断返回”，确保常规任务能从被暂停的位置继续执行。现场恢复与现场保护相对应：若 ISR 开头手动保护了 R4-R11 等寄存器，则需在 ISR 结尾手动将这些寄存器的值从栈中弹出，恢复原值；若未保护，则无需操作。

中断返回的核心是执行 “中断返回指令”（如 ARM Cortex-M 的 BX LR 指令，x86 的 IRET 指令）。当 MCU 执行该指令时，会自动从栈中弹出之前保存的 PC、PSR、R0-R3 等寄存器的值，恢复 CPU 的状态与程序计数器指向 ——PC 重新指向被中断的常规任务的下一条指令，PSR 恢复中断前的 CPU 状态（如中断屏蔽位、条件标志位），R0-R3 恢复原值。同时，中断控制器会自动清除当前中断的挂起位，并重新允许同优先级及更低优先级的中断（若之前禁止），至此，整个中断流程完成，常规任务无缝衔接继续执行。