如何進行RT-Thread中斷管理

本篇文章給大家分享的是有關如何進行RT-Thread中斷管理，小編覺得挺實用的，因此分享給大家學習，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說，跟著小編一起來看看吧。

下面是關于RT-Thread中斷管理的學習總結，包括簡單地介紹了什么是中斷，裸機中斷與RT-Thread中斷有什么區別，RT-Thread是如何處理中斷的，RT-Thread內核提供哪些中斷相關的接口，等等。

從以下幾個方面總結一下RT-Thread中斷管理的學習過程

中斷相關的概念描述

什么是中斷？中斷，顧名思義就是一項正在進行的工作，突然間被其他事情打斷，導致原來正在進行的工作不能繼續正常進行，而需要去把其他事情處理完，才能回來繼續進行原來的工作。

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

這個電話是媳婦打過來的，她讓你去菜市場買點韭菜和豬肉，晚上包餃子吃，媳婦的話哪敢不聽，于是你覺得菜市場買東西比較重要，掛掉電話后就去買東西了，買完東西回來后，再接著寫剛剛還沒完成的代碼。“菜市場買東西”就是中斷服務程序，這就是一個典型的中斷處理過程。

關于中斷的操作模式和特權級別，Cortex-M的處理器有三種狀態劃分，分別是：特權級處理模式，特權級線程模式，用戶級線程模式。這三種狀態的關系，如下圖所示。

從上圖可以看出，中斷或異常的服務程序，總是處于特權級處理模式的。而RT-Thread系統內核復位上電時啟動的主線程（main線程），是運行在特權級線程模式的。其他用戶創建的線程，是運行在用戶級線程模式的。

為什么處理器要區分特權級和用戶級？特權，顧名思義就是處理器如果工作在這個級別下，權限就會比較高，就可以訪問一些特殊的寄存器，以防止用戶級的代碼訪問這些特殊寄存器，對數據進行破壞。中斷由于其特殊性，所以，中斷函數是工作在特權級別下的。

裸機中斷與操作系統中斷兩者有什么區別呢？我們在裸機代碼中處理硬件中斷的時候，一般只要編寫中斷處理函數就可以了，這種方式處理中斷，簡單且直接。

然而，有了操作系統之后，所有的東西都變了，要考慮的問題就多了很多。因為操作里面運行了很多線程，中斷來了之后，就要告知操作系統，把當前運行線程的信息保存到棧里面，再去處理中斷服務程序，處理完中斷要再回去處理線程，此時又可能涉及到線程切換調度，而線程切換本身又需要PendSV中斷參與。

所以，在裸機處理中斷和在操作系統中處理中斷，簡直就是天壤之別。
RT-Thread 中斷處理機制

了解過Cortex-M系列單片機的工程師，一般都知道在芯片的匯編啟動文件startup_xxx.s里面，有一個中斷向量表，所有的中斷都是通過這個中斷向量表來進行處理的。

當一個中斷異常觸發的時候，處理器將會判斷是哪個中斷源，然后跳轉到固定位置進行處理，每個中斷服務程序的地址入口必須是放到統一的地址上，也就是需要設置到NVIC的中斷向量偏移寄存器里面。

其實，不管有沒有操作系統的參與，一旦硬件發送中斷和異常之后，中斷的入口都是在這個中斷向量表的。區別無非就是在裸機環境下，直接處理中斷服務程序，而在有操作系統的情況下，需要先保留線程的運行情況，然后再處理中斷，處理完中斷后，再恢復線程的運行環境。

硬件中斷的優先級是最高的，任何線程的優先級都要低于硬件中斷，因此，只要發生了硬件中斷事件，系統就必須要進行相應的處理。

RT-Thread在處理中斷的時候，一般都會有三個階段：中斷前導程序，中斷服務程序，中斷后續程序，這三個階段，如下圖所示。

中斷前導程序的主要工作是，當中斷事件發生的時候，處理器的硬件會把當前CPU相關的寄存器參數自動壓入中斷棧里面。程序需要調用rt_interrupt_enter()函數，把全局變量rt_interrupt_nest進行加1操作，這個全局變量是用來記錄中斷的嵌套層數的。

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

而如果要進行線程切換，則會調用rt_hw_context_switch_interrupt() 函數進行上下文切換，這個函數主要是設置變量rt_interrupt_to_thread，然后觸發PendSV中斷。

在這里要注意一下：由于PendSV中斷的優先級最低，不能進行中斷搶占，因此即使觸發了該中斷，但由于此時還在用戶中斷處理函數里面，所以PendSV中斷還處于等待階段，只有退出了中斷后續程序，才會進行PendSV中斷處理，才會進行線程的上下文切換。所以，線程的上下文切換是不會在用戶中斷里面進行的，是在中斷結束后進行的。

中斷后續程序的主要工作是，通知系統內核離開中斷狀態，通過調用rt_interrupt_leave()函數，將全局變量rt_interrupt_nest進行減1操作，然后從中斷棧里面恢復恢復CPU相關的寄存器參數。

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

RT-Thread操作系統在處理中斷的時候，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，操作系統本身不會對中斷服務程序的處理時間做任何假設和限制，但為了保證系統的實時性，用戶需要保證中斷服務程序在盡可能短的時間內完成。

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？還是以買菜為例。媳婦來電話讓你到菜市場買菜（中斷事件），但你考慮到如果長時間中斷不寫代碼，會導致思路斷鏈，為了避免這種情況（避免長時間處理中斷服務），完全可以在網上下單購買（短時間的中斷處理），生鮮超市收到下單信息（信號量、郵件、消息隊列），就會安排快遞小哥送貨上門，買菜這么耗時的工作就由其他人（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，主要是應用在一些需要耗時處理中斷事務的場合，比如數據的接收和處理。通常接收數據的時間比較短，只要把接收到的數據保存下來即可，但處理數據的過程就可能比較耗時，這樣就需要分開來處理，上半部分就是接收數據，底半部分就是耗時的數據處理。
RT-Thread中斷相關的API函數接口

為了把操作系統和硬件底層的中斷異常隔離開來，RT-Thread系統內核把中斷和異常封裝為一組抽象的接口，具體的函數接口如下圖所示。

RT-Thread中斷相關的應用示例

RT-Thread中斷相關的應用示例，主要是為了驗證中斷相關的API接口函數，例如全局中斷開關的使用示例，通過按鍵中斷示例來驗證“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式。

全局中斷開關示例，主要是為了驗證多線程訪問同一個變量時，使用開關全局中斷的方式對該全局變量進行臨界區保護。

按鍵中斷示例主要是為了驗證“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”這種中斷處理方式。通過按鍵觸發中斷事件，在中斷服務函數里面發送郵件，通知線程進行相應的處理。
在irq_test.h頭文件里面，通過打開相應的宏定義開關，重新編譯工程源碼，下載到開發板即可驗證實驗現象，如下圖所示。

RT-Thread中斷應用的注意事項

中斷是一種異常，當系統發生中斷異常的時候就必須要進行處理，在RT-Thread實時操作系統里面處理中斷的時候，如果不及時處理或對中斷處理不當，輕則會造成系統出錯或邏輯混亂，重則會導致系統毀滅性地癱瘓。

在處理RT-Thread中斷異常的時候，有以下注意事項：

1.中斷服務程序工作在特權級處理模式，優先級比任何線程要高，任何線程都不能搶占中斷服務程序。

2.在操作系統里面，可以支持中斷嵌套，高優先級中斷可以搶占低優先級中斷，線程的重新調度是在所有中斷都處理完之后才重新啟動的。

3.在Cortex-M架構里面，中斷發生時CPU的寄存器入棧是由硬件自動完成的，中斷的前導程序通常只是記錄中斷的嵌套層數。

4.RT-Thread采用獨立的內存空間作為中斷棧，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）”這種方式來處理中斷異常，中斷服務程序的處理時間應盡可能短。

6.使用全局中斷開關是禁止多線程訪問臨界區最簡單的一種方式，這種方式可以應用在任何場合，但要注意這種方式對系統實時性影響巨大，使用不當會破壞系統的實時性能。使用全局中斷鎖的時間應盡可能短。

7.全局中斷開關支持多級中斷嵌套使用，每次調用rt_hw_interrupt_enable()函數，可以讓系統恢復到關中斷之前的狀態（這個狀態有可能是關中斷也有可能是開中斷）。

8.中斷服務程序是運行在特權處理模式下的，在這種運行模式里面是不能使用掛起當前線程操作的相關函數的，因為中斷服務程序的運行環境里面根本不存在線程。

以上就是如何進行RT-Thread中斷管理，小編相信有部分知識點可能是我們日常工作會見到或用到的。希望你能通過這篇文章學到更多知識。更多詳情敬請關注億速云行業資訊頻道。