中断到底是什么？用生活例子讲透单片机中断的底层逻辑，小白也能懂

1.中断的基本概念

这里，我们以一个例子说明中断的概念和功能，想象一下，我们之前使用串口外设接收数据的例程，需要使用 UART.any()方法一直判断外部是否有可以读取的数据，这种方法在只有代码流程少、调用外设少的情况下可以使用，若是我们在原有程序基础上加入驱动 LCD 屏幕显示数据、对运动数据进行数字滤波、使用 USB 协议与 PC 端进行交互、将程序运行日志保存到外部 Flash 等代码后，程序运行时间会大大增加，在两次调用 UART.any()方法获取串口状态的间隔中，很有可能陀螺仪已经将许多数据发送到串口上使得串口的 FIFO 存储器溢出了。这时，我们需要中断，所谓中断的作用就是当串口外设上一旦有可接收的数据，便会调用预先设定好的中断回调函数来接收数据并进行相应处理。

再举一个我们之前使用 GPIO 读取外部按键按下的例子，使用外部中断方法和轮询方法二者的区别如下图所示：

将以上的例子扩展开来，我们可以得到轮询和中断两种不同的程序执行模式：

• ​轮询 Polling​​：​若程序在执行某项任务之前需要等待特定状态变更的发生，则在循环中周期性地检查该状态。编程简单、逻辑清晰，缺点是当两次检查间隔过长时，可能会忽略间隔中间状态的变更，同时大部分检查是无意义的（有可能很长时间才有几次状态变更，大部分检查的情况中程序状态不会变更）。
• ​中断 Interrupts​​：​在此机制下，一旦状态发生变更，便会触发一个中断信号，使 CPU 能够立即暂停当前任务（同时保存其当前状态），转而执行与中断相关的处理程序，并在处理完毕后恢复先前的任务状态，继续执行。这种方法不仅提高了系统的响应速度，还确保了资源的高效利用。

简单来说，中断是 MCU 处理‘突发任务’的核心机制 —— 比如定时器到点、串口收到数据、传感器触发信号时，不能等核心‘忙完手头的活’再处理，这时候中断会‘打断’核心当前的操作，优先处理紧急任务。而 NVIC（嵌套向量中断控制器）是每个核心的‘中断调度员’，负责管理中断的优先级和执行顺序

2.中断的类型

中断可以源自 MCU 内部和 MCU 外部设备，简单来说，可以分为 GPIO 外部中断、外设中断、内核中断：

• ​外部中断：​来源为 GPIO 引脚上的电平变化信号，由连接到 MCU 的 IRQ 引脚的外部设备触发。当产生电平的变化信号后（如上升沿、下降沿、高 / 低电平保持，对应之前讲解的 GPIO 中断触发类型），GPIO 的外部中断控制器检测到中断信号，然后将对应的中断信号发给 NVIC 中断向量控制器。
• ​外设中断：​来自片上外设（内部定时器、SPI、UART 等）的中断，当外设的工作状态发生变化时（例如 UART 上检测到有数据可以接收），这些中断信号会直接传输到 NVIC 嵌套中断向量控制器。
• ​内核中断：​来自于 CPU 内部的信号，主要包括陷入 trap 指令、故障 fault 指令和终止 abort 指令，大多数都是 CPU 执行指令时产生了错误或硬件故障。
  

3.NVIC 嵌套中断向量控制器

NVIC 嵌套中断向量控制器的主要作用是处理中断，负责管理中断的优先级和执行顺序：

• 所有来自 GPIO、外设、内核的中断请求，都需要经过 NVIC 的统一协调和分发，才能被 CPU 处理；
• 就像公司的前台调度员，所有来访的客户（中断请求）都要先经过前台，由前台根据客户的紧急程度，安排对应的员工（CPU）进行接待。

NVIC 包含一个中断向量表，这是 CPU 处理中断的 “核心导航工具”。简单来说，中断向量表是按照中断类型号从小到大的顺序排列的表格，表格中每一个条目都对应着一种中断类型，存储了该中断对应的中断向量和中断服务例程（ISR）的地址：

• 中断服务例程就是专门处理该中断的程序，而地址则是这个程序在内存中的位置；
• 当收到某个中断信号（比如 UART 有数据可接收）时，CPU 不需要逐个查找处理程序，只需要根据中断类型号，直接在中断向量表中找到对应的程序地址，就能立刻跳转到中断服务例程执行，极大提升了中断处理的效率。

NVIC 的 “嵌套” 是其核心特性之一，也是它区别于普通中断控制器的关键，所谓 “嵌套”，是指 NVIC 允许用户为每一种中断设置优先级：

1. 当 CPU 正在处理一个低优先级的中断时，如果此时有更高优先级的中断请求到来，NVIC 会让高优先级的中断 “抢占” CPU 的控制权 ，也就是暂停当前低优先级中断的处理，优先执行高优先级中断的服务例程；
2. 等高等优先级中断处理完成后，CPU 再回到之前被暂停的低优先级中断处，继续完成剩余的处理工作。

这个过程就叫做中断嵌套。这种机制保证了系统中最紧急的事件（比如硬件故障、重要数据接收）能够被优先处理，避免因低优先级事件占用 CPU 而导致紧急事件被延误。

此外，NVIC 还具备 中断屏蔽（禁用）的功能：它会记录哪些中断被用户设置为 “屏蔽状态”，对于这些被屏蔽的中断，NVIC 会直接忽略其请求，不会将其传递给 CPU，这就像前台可以拒绝接待被列入黑名单的客户，确保 CPU 不会被不必要的中断打扰。

当有中断请求产生并经过 NVIC 的调度后，CPU 会按照固定的步骤处理中断，整个过程就像你正在写文档时，突然收到紧急邮件提醒，处理完邮件后再回到文档继续编写：

其固定流程如下：

1. ​正常执行程序​：CPU 原本按照顺序执行用户的主程序，并且会在执行完每一条指令后，主动检查 NVIC 是否有中断请求需要处理；
2. ​暂停当前程序​：当 CPU 检测到 NVIC 传递的中断信号时，会立刻停止执行当前的主程序；
3. ​保存程序状态​：CPU 会自动将当前主程序的执行进度、寄存器数据等关键信息保存起来，确保后续能准确回到中断的位置继续执行；
4. ​查找并执行中断服务例程​：CPU 根据中断信号的类型号，查询中断向量表，找到对应的中断服务例程的地址，然后加载并执行这个处理程序；
5. ​恢复程序状态​：中断服务例程执行完成后，CPU 会自动将之前保存的主程序状态恢复；
6. ​恢复执行主程序​：CPU 回到被中断的位置，继续执行原来的主程序。

完成此处理后，CPU 自动恢复保存的信息并从停止处继续执行程序。

下图为用户程序切换到中断服务程序的状态转换图：