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从零开始写中断服务程序：嵌入式开发者的必修课

你有没有遇到过这样的场景？主循环里不断轮询一个按键状态，CPU占用率居高不下；或者串口收到数据时错过了第一帧，因为检查时机刚好“卡”在了两次检测之间。这些问题的根源，在于我们试图用同步思维去处理异步事件。

真正的嵌入式系统高手，不会让CPU“主动找事”，而是让硬件“主动报到”。这就是中断服务程序（ISR）的核心思想——把响应权交给硬件，让软件只在关键时刻出手。

今天，我们就抛开教科书式的讲解，带你亲手实现一个真正可用的中断服务程序，理解它背后的运行逻辑和实战技巧。

中断不是魔法，是处理器的“紧急呼叫”机制

很多人初学中断时总觉得神秘，仿佛ISR是某种超自然的存在。其实不然。

想象你在厨房做饭（主程序），突然门铃响了（外部事件）。你放下锅铲，跑去开门（执行特定动作），确认是快递后回来继续炒菜（恢复原任务）。这个过程就是典型的“中断”行为：正常流程被打断 → 处理突发事件 → 恢复之前的工作。

在微控制器中，这套机制由硬件自动完成：

1. 谁按了门铃？
   定时器计数完成、串口收到字节、GPIO电平变化……这些都会产生一个电信号，告诉CPU：“我有事！”

2. 要不要开门？听谁的？
   NVIC（嵌套向量中断控制器）就像家里的智能门禁系统。它知道哪些“门铃”被允许触发响应（中断使能），也知道如果同时响起多个门铃，该优先处理哪一个（优先级管理）。

3. 怎么保证回来还能接着炒菜？
   处理器会自动把你当前的状态（比如炒到第几步、手里拿着什么调料）压入堆栈保存。等处理完快递，再原样还原现场，仿佛从未离开。

整个过程通常在几个微秒内完成，比你眨眼还快得多。

写好第一个ISR：别急着敲代码，先搞懂三个铁律

当你准备写下void TIM2_IRQHandler()这一行时，请先记住以下三条“保命法则”。它们不是建议，而是硬性约束。

铁律一：ISR必须短小精悍

ISR是在主程序“背后”偷偷运行的，拖得越久，主程序就越卡顿。理想情况下，ISR应该像便利店店员收钱那样迅速：“扫码→收款→找零→结束”，不寒暄、不犹豫。

✅ 正确做法：
- 清除中断标志
- 读取寄存器值
- 设置标志位或发送信号

❌ 错误示范：

void USART1_IRQHandler(void) { char c = USART1->DR; printf("Received: %c\n", c); // ❌ 千万别这么干！ }

printf()可能涉及复杂的缓冲区管理和锁机制，一旦阻塞，整个系统就卡死了。

铁律二：共享变量要用volatile修饰

考虑下面这段代码：

uint32_t tick_count = 0; void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) { TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; tick_count++; // 编译器可能优化掉这行！ } }

看起来没问题？但如果你开启了编译器优化（如-O2），tick_count很可能被优化成寄存器缓存，导致主程序永远看不到它的变化。

解决方法很简单：

volatile uint32_t tick_count = 0; // 加上 volatile

volatile告诉编译器：“这个变量可能会被意料之外的方式修改，请每次访问都从内存读取。”

铁律三：永远不要在ISR里做“危险操作”

以下行为在ISR中属于“禁区”：

那复杂任务怎么办？答案是：通知主程序，让它去做。

实战：用定时器中断实现精准1ms心跳

下面我们以 STM32F4 系列为例，一步步构建一个每毫秒触发一次的定时器中断。

第一步：配置定时器硬件

我们要让 TIM2 每1ms产生一次更新中断。假设系统时钟为84MHz：

void timer2_init(void) { // 1. 开启TIM2时钟 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 2. 设置预分频器：84MHz / 84 = 1MHz TIM2->PSC = 84 - 1; // 3. 设置自动重装载值：1MHz / 1000 = 1kHz → 1ms周期 TIM2->ARR = 1000 - 1; // 4. 使能更新中断 TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 5. 启动定时器 TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; }

⚠️ 注意：所有对寄存器的操作都要使用“或等于”（|=）来保留原有配置，避免误清除其他位。

第二步：编写ISR函数

volatile uint32_t system_ticks = 0; void TIM2_IRQHandler(void) { // 必须先检查中断标志，防止误触发 if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) { // 清除更新中断标志，否则会反复进入 TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 增加系统节拍计数 system_ticks++; // 轻量级操作示例：翻转LED GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_OD5; // PA5 connected to LED } }

关键点解析：
-为什么检查标志？因为一个中断源可能对应多种事件（如更新、捕获等），必须明确判断来源。
-为什么清标志？不清就会一直触发，CPU陷入无限中断“死循环”。
-为什么翻转LED？用于直观验证中断是否正常工作（可用示波器测量PA5频率是否为500Hz，因每次翻转半个周期）。

第三步：启用NVIC中断

// 在初始化完成后调用 NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 2); // 设为中等优先级

💡 小知识：TIM2_IRQn是CMSIS标准定义的中断编号，来自头文件stm32f4xx.h。确保你的启动文件中有对应的TIM2_IRQHandler入口。

NVIC不只是开关，更是系统的“交通指挥官”

很多人以为 NVIC 就是个简单的“中断使能开关”，其实它远不止如此。

抢占优先级 vs 子优先级

NVIC支持两级优先级控制：

• 抢占优先级：决定能否打断正在运行的ISR。高抢占优先级可嵌套进入低优先级ISR。
• 子优先级：当多个中断同时到达时，决定执行顺序（不可嵌套）。

例如设置分组为PRIGROUP=4（即4位抢占，0位子优先级）：

// 设置分组模式（通常在系统初始化时调用一次） SCB->AIRCR = (SCB->AIRCR & ~((uint32_t)0x700)) | ((uint32_t)0x300); // 分配优先级 NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0); // 最高优先级 NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 2); // 中等优先级

这样，即使你在TIM2_IRQHandler中执行，也能被EXTI0中断打断。

向量表偏移（VTOR）：动态切换中断处理

有些高级应用需要运行双系统（如Bootloader + App），这时可以通过修改 VTOR 寄存器重定位中断向量表：

// 切换到SRAM中的向量表（地址0x20000000） SCB->VTOR = 0x20000000; __DSB(); __ISB(); // 数据/指令同步屏障

这对OTA升级、安全固件跳转非常有用。

典型应用场景与避坑指南

场景一：按键防抖 + 主线解耦

常见错误写法：

while (1) { if (GPIO_Read(Key_Pin)) { delay_ms(20); // 软件延时去抖 → 卡住整个系统！ if (GPIO_Read(Key_Pin)) { led_on(); } } }

正确做法：中断+定时器协同

volatile uint8_t key_debounce_pending = 0; // 按键中断 void EXTI1_IRQHandler(void) { if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR1) { EXTI->PR = EXTI_PR_PR1; // 清标志 key_debounce_pending = 1; TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动去抖定时器（10ms） } } // 定时器中断：10ms后检查按键状态 void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) { TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF; TIM3->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN; // 停止定时器 if (key_debounce_pending && GPIO_Read(Key_Pin)) { xQueueSendFromISR(key_queue, &KEY_PRESS, NULL); } key_debounce_pending = 0; } }

主循环只需从队列取事件即可，完全非阻塞。

场景二：DMA传输完成通知RTOS任务

在高速数据采集场景中，常用DMA配合ADC。ISR的作用仅仅是“通知”：

void DMA2_Stream1_IRQHandler(void) { if (DMA2->LISR & DMA_LISR_TCIF1) { DMA2->LIFCR = DMA_LIFCR_CTCIF1; // 清传输完成标志 BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; xSemaphoreGiveFromISR(dma_done_sem, &xHigherPriorityTaskWoken); portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); } }

此时主任务可以阻塞等待信号量，CPU空闲时进入低功耗模式，效率极高。

调试经验：那些年我们踩过的坑

坑点1：ISR没进？检查这三点

1. 中断是否使能？
   c TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 外设使能 NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); // NVIC使能

2. 时钟开了吗？
   c RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 忘了这句，定时器根本不会工作

3. 向量表名字对吗？
   查看启动文件startup_stm32f407xx.s，确认是否存在：
   armasm DCD TIM2_IRQHandler
   函数名必须完全匹配，大小写都不能错！

坑点2：系统卡死在HardFault？

大概率是进入了未定义的ISR。默认情况下，所有未绑定的中断都会跳转到Default_Handler，而它通常是一个无限循环。

解决办法：
- 定义一个调试用的通用中断处理函数：
c void Debug_IRQHandler(void) { while (1) { // 断点停在这里，查看LR寄存器判断来源 } }
- 或者逐个绑定空函数排查。

写在最后：ISR是通往高性能系统的大门

掌握中断编程，意味着你不再只是“会点亮LED”的新手，而是真正理解了嵌入式系统的脉搏。

ISR本身不难，难的是思维方式的转变：从“我要做什么”变成“事件来了我该怎么办”。

当你能熟练运用“中断触发 → 快速响应 → 移交主线”的设计模式时，你就已经具备了开发工业级控制系统的能力。

如果你觉得这篇文章对你有帮助，不妨动手试试，在自己的板子上跑一个1ms定时器中断。看到LED以稳定频率闪烁的那一刻，你会感受到硬件与软件完美协作的魅力。

有任何问题，欢迎留言交流。下一期我们可以聊聊：如何用中断+DMA打造零CPU占用的数据采集系统。