单片机多中断处理技术研究
1.引 言:
中断技术的应用大大提高了CPU的有效使用率,有效提高了资源的利用率。中断的性能同时也就成了衡量芯片性能的标准。新开发的芯片增加了很多的中断源,如 PIC16F877的中断源已经达到14个,可谓相当丰富;但同时也带来了一些难题:如此多的中断源在处理时很容易产生中断冲突,如何有效的处理中断到达时的时序,其算法应该如何实现成了首先需要解决的问题
2.中断处理技术
为了解决多中断带来的问题,有必要清楚单个中断到达时的处理技术,首先简要介绍中断的基本原理:计算机在执行某一程序过程中,由于计算机系统内外原因,而必须中止原程序的执行,转去执行相应的处理程序,待处理结束后再回来继续执行中止程序。当只有一个事件被响应,进入中断执行中断程序,这较易被处理,当两个,三个,甚至更多的中断同时产生的时候,处理起来就复杂多了,对于PIC系列单片机,其设计上虽然有很多中断,但是并没有规定中断的优先级。当遇到中断的时候,不做任何判断,而是先把指针指向0004H(中断起始地址),至于接下来如何操作则完全交给用户软处理完成。其中断时序图如下:
INT引脚中断时序图
其中时序图说明如下:
(1)中断开销时间=3~4TCY,取决于是单周期还是双周期指令,这里的TCY为指令周期
(2)CLKOUT信号仅在RC振荡器下有效。
(3)INTF标志可在Q4~Q1期间的任何的时候把其置成高电平。
如果正当全局中断允许位GIE清零(禁止中断)时发生中断,GIE位可能会被用户的中断服务程序(RETFIE指令)无意地重新开放,能引起该事件发生有以下情况:
1. 在一个中断被响应时执行一条对GIE位置1的指令;
2. 程序正在转向中断矢量并执行中断服务程序;
在执行中断返回指令RETFIE后中断服务程序完成。这将引起GIE位被置1(开放中断)并且程序返回一条指令,而这条指令的下一条指令将禁止中断。
要确保整个中断被禁止的方法是通过以下程序代码使GIE位清零:
loop BCF INTCON,GIE
BTFCS INTCON,GIE
GOTO loop
3.多路中断处理技术
以上方法不能解决多路中断问题,因此有必要具体分析一下当最坏的情况发生时,即多路中断同时出现时的中断处理过程。
怎样出现的中断才能称为多路中断同时出现呢?通过上面的时序图,可以得出这样的结论:
(1)当一个中断产生时,在一个周期范围内必然产生一个中断标志,由此触发全局中断禁止位。(2)判断中断的类型就是判断其对应中断的标志位。
(3)在第一个诱发中断源产生中断时开始,到中断程序执行完成的范围内,如果有其它中断发生,那么都称为多路中断同时出现。
要处理多路中断问题,中断处理程序的算法大体上可以分为两类:弱中断优先级(使用CALL和RETURN方式)和强中断优先级(使用GOTO方式)。其程序结构图如下:
设第n个子程序的运行时间为Rn;同一个中断源的两次中断最小时间间隔In,在中断处理程序结构1中,中断1,中断2,中断3的优先权级为中断1>中断 2>中断3,这种方法在中断处理中广为使用。对于具有抢先优先级要求的程序可以通过第二个程序结构完成,即每执行完一个中断程序都重新检查该中断程序的中断标志位,如果其标志位又被置位,则执行该中断。为了确保第二个中断能够执行必须要求R1I1,同样第三个能够执行的条件是R1+R2 I1+I2,第n个中断能够被执行的条件是Σ(Rn)Σ(In),同时这也是程序能从中断中正常跳转出来的条件。对于普通的程序设计,这样的优先级一般能够满足用户的使用需求,但对于较大的程序设计往往需要更高的优先级甚至超优先级,也就是说即使正在执行中断程序,当超优先级中断到来的时候,马上就要停止当前工作,而去执行超优先级中断。要实现这种中断模式,完全可以在中断程序中添加一个或者几个判断指令来实现。以上图的GOTO结构方式为例,为了使ISR1拥有超高优先级,可以在ISR2中断程序中加入如下指令:
BTFSC INT1,INTIF ;判断INT1是否有中断
GOTO INT1 ;是!执行INT1中断
如果ISR2的程序较长或者ISR1的中断级较高,可以在ISR2中加入多条这样的语句。同样道理,为了形成ISR2的次高优先级,可以在ISR3中加入指令:
BTFSC INT2,INTIF ;判断INT2是否有中断
GOTO INT2 ;是!执行INT2中断
由此可以达到预期效果,这种方法主要是基于每个子程序的执行时间比较长而产生的,如果每个中断程序的执行时间都很短,那么也就没有必要牺牲这一个指令周期了,所以程序的设计应该力求中断的简洁。
为了能够编写好一个简洁的中断程序,应抓住中断的特点是具有实时性,针对实时中断数据采集系统,也就是中断的特点在于
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