中斷服務(wù)子程序是如何被執(zhí)行的 ？

筆者能力有限，如果文中出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)各位朋友能夠給我指出來(lái)，我將不勝感激，謝謝~

前言

筆者在 《程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的(二)》中從 PC 指針寄存器的角度分析了一級(jí)函數(shù)調(diào)用和二級(jí)函數(shù)調(diào)用執(zhí)行的過(guò)程，那么中斷服務(wù)子程序又是如何被執(zhí)行的呢？?jī)烧叩南嗤c(diǎn)和不同點(diǎn)是什么呢？該篇文章筆者將詳細(xì)地闡述這個(gè)概念。

中斷的概念

當(dāng) CPU 正在處理某件事情的時(shí)候，外部發(fā)生的某一事件請(qǐng)求 CPU 迅速去處理，于是，CPU 暫時(shí)中止當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理所發(fā)生的事件。中斷服務(wù)處理完該事件以后，再回到原來(lái)被中止的地方，繼續(xù)原來(lái)的工作，這樣的過(guò)程稱之為中斷，示意圖如下：

中斷響應(yīng)及處理過(guò)程

回顧函數(shù)調(diào)用的過(guò)程，子程序由主程序進(jìn)行調(diào)用，從而完成執(zhí)行。但是中斷服務(wù)子程序并沒(méi)有被主程序進(jìn)行調(diào)用，中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行是通過(guò)中斷請(qǐng)求完成的，也就是說(shuō)中斷服務(wù)子程序可以發(fā)生在主程序執(zhí)行的隨意位置，那現(xiàn)在就面臨一個(gè)問(wèn)題了，如果當(dāng)CPU 正在執(zhí)行函數(shù)調(diào)用的子程序的內(nèi)容的時(shí)候產(chǎn)生了一個(gè)中斷請(qǐng)求，那么這個(gè)時(shí)候 CPU 將暫停執(zhí)行函數(shù)調(diào)用的子程序的內(nèi)容，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，如果不進(jìn)行額外的處理，那么函數(shù)調(diào)用的子程序的相關(guān)數(shù)據(jù)將丟失，因此在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序之前，CPU 必須要保存發(fā)生中斷的那個(gè)地方的相關(guān)信息，這個(gè)操作用專業(yè)的術(shù)語(yǔ)來(lái)講就是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)之后，CPU 將執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容之后，CPU 要回到剛剛暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，另外在返回之前，CPU 還要進(jìn)行恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之后，就可以返回到暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行了，下面是整個(gè)過(guò)程的示意圖：

通過(guò)上述示意圖我們也可以看到在返回地址這個(gè)地方，中斷服務(wù)子程序和函數(shù)調(diào)用子程序的返回地址所遵循的原理是一樣的，函數(shù)調(diào)用子程序的返回地址是函數(shù)調(diào)用指令的下一條指令的地址，而在上述示意圖中的 N 和 N+1 的含義也是類似的，當(dāng) CPU 執(zhí)行到第 N 條指令的時(shí)候，CPU 接收到了一個(gè)中斷請(qǐng)求，在執(zhí)行完第 N 條指令之后，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，然后中斷服務(wù)子程序的返回地址對(duì)應(yīng)的是第 N+1 條指令的地址。

中斷的堆棧占用

在剛剛所述的內(nèi)容中，說(shuō)到 CPU 在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容之前，需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，那保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)這個(gè)操作具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？這個(gè)時(shí)候，就要用到我們的堆棧了。在這里拿 ARM Cortex M3 舉例，在響應(yīng)中斷時(shí)所做的第一個(gè)操作就是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，它會(huì)依次把 xPSR,PC,LR,R12以及 R3-R0 由硬件自動(dòng)壓入適當(dāng)?shù)亩褩Ｖ?，注意，這里是自動(dòng)壓入堆棧，也就是說(shuō)如果我們看對(duì)應(yīng)的匯編代碼是看不到這部分壓棧操作的。另外，我們知道對(duì)于 ARM Cortex M3 的堆棧指針來(lái)說(shuō)，它存在兩個(gè)，一個(gè)是主堆棧指針(MSP)，一個(gè)是線程堆棧指針(PSP),其中主堆棧指針是復(fù)位后默認(rèn)使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核和中斷處理程序，線程堆棧指針(PSP)是由用戶的應(yīng)用程序代碼所使用。那么在執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)時(shí)將相關(guān)寄存器的值壓入堆棧，應(yīng)該使用哪個(gè)堆棧指針呢？這也是存在一個(gè)原則的，如果在響應(yīng)中斷時(shí)，當(dāng)前的代碼正在使用線程堆棧(PSP)，那么將使用線程堆棧指針(PSP)進(jìn)行壓棧，否則將使用主堆棧指針(MSP)。另外在 CPU 進(jìn)入中斷服務(wù)子程序之后，所涉及的堆棧操作所使用的堆棧一直是主堆棧指針(MSP)。為了更直觀的展示這個(gè)過(guò)程，下圖是發(fā)生中斷請(qǐng)求后，堆棧的變化示意圖：

通過(guò)上圖我們可以很清楚地看到在響應(yīng)中斷時(shí)產(chǎn)生的保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)操作，堆棧明顯增長(zhǎng)了，而在執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容之后，又將執(zhí)行恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的操作，這個(gè)時(shí)候堆棧的內(nèi)容又減少了。
為了更清楚地展示壓入堆棧寄存器的操作，筆者在這里也給出上述圖中堆棧粉色部分的詳細(xì)內(nèi)容，圖片如下：

上述就是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)所壓入堆棧的相關(guān)寄存器，另外還需注意的一點(diǎn)是當(dāng)所涉及的中斷服務(wù)子程序邏輯比較復(fù)雜的時(shí)候，就需要更多的寄存器了，這個(gè)時(shí)候就需要用到 R4-R11 了，但是這部分寄存器是不能進(jìn)行自動(dòng)壓棧的，也就是說(shuō)如果在中斷服務(wù)子程序中使用到這部分寄存器的時(shí)候就需要進(jìn)行手動(dòng)壓棧，那么這部分的壓棧操作在匯編層面就能看到了。

中斷向量表

在上述所闡述的內(nèi)容中，我們知道了中斷會(huì)在主程序的任意發(fā)生中斷請(qǐng)求，從而執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容，也闡述了在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容之前需要進(jìn)行保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的操作，以及執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序的內(nèi)容之后需要進(jìn)行恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)在我們?cè)賮?lái)思考，在 CPU 中，中斷源不止一種，可以是按鍵按下所觸發(fā)的一個(gè)外部中斷，也可能是在使用串行通信時(shí)，收到數(shù)據(jù)所觸發(fā)的一個(gè)中斷，亦或是在 CPU 中定義的一個(gè)定時(shí)中斷由于設(shè)置的時(shí)間到了而觸發(fā)的定時(shí)中斷，這個(gè)時(shí)候，就浮現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題了，要如何將這一個(gè)一個(gè)的中斷源與其各自的中斷服務(wù)子程序所一一對(duì)應(yīng)起來(lái)呢？換句更為通俗的話來(lái)講就是當(dāng) CPU 接收到一個(gè)中斷信號(hào)時(shí)，CPU 將如何找到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序進(jìn)行執(zhí)行呢？這個(gè)時(shí)候，就需要中斷向量表了，下面是中斷向量表的特點(diǎn)：

• 中斷向量表在 CPU 中是一段連續(xù)的存儲(chǔ)空間

• 中斷向量表在 CPU 復(fù)位后有默認(rèn)的起始地址

• 每一個(gè)中斷在中斷向量表中都有對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，該表項(xiàng)的值為該中斷源對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的地址

• 由程序代碼確定中斷向量表中的每個(gè)表項(xiàng)

上述特點(diǎn)說(shuō)中斷向量表都存在默認(rèn)的起始地址，在這里依舊拿 ARM Cortex M3 內(nèi)核來(lái)看，它的中斷向量表默認(rèn)的起始地址是從地址 0x0000 0000 開始的，如下圖所示：

當(dāng)然這只是一部分，并不是全部的表項(xiàng)。有了中斷向量表之后，那么當(dāng) CPU 接收到中斷請(qǐng)求的時(shí)候，就會(huì)根據(jù)這個(gè)中斷請(qǐng)求的信號(hào)去查這個(gè)表，從而查找到其所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序的地址，然后將這個(gè)地址賦值給 PC 指針寄存器就，那么 CPU 就可以完成中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行了，對(duì)于 PC 指針寄存器不是太清楚地朋友可以看筆者的這篇文章 《程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的(二)》。

中斷服務(wù)函數(shù)的寫法

中斷服務(wù)函數(shù)的寫法不同的 CPU 有各自不同的寫法，對(duì)于 ARM Cortex M3 的 CPU 來(lái)說(shuō)，因?yàn)槠鋬?nèi)核的特點(diǎn)，在執(zhí)行完中斷服務(wù)函數(shù)后的返回指令與普通函數(shù)調(diào)用的返回指令是一樣的，因此中斷服務(wù)函數(shù)的寫法與 C 語(yǔ)言中普通函數(shù)的定義沒(méi)有區(qū)別，比如下面是 STM32F103 的一個(gè)外部中斷的服務(wù)函數(shù)

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    /* 確保是否產(chǎn)生了中斷 */
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) 
    {   
        /*用戶代碼*/
        /*清除中斷標(biāo)志位*/
        EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);     
    }  
}

通過(guò)上述的代碼我們可以看到中斷服務(wù)函數(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)，就是它的返回值和形參都為 void ，這也是由原因的，因?yàn)橹袛喾?wù)函數(shù)本來(lái)就不是由主程序進(jìn)行調(diào)用的，既然中斷服務(wù)函數(shù)不會(huì)被其他函數(shù)所調(diào)用，那么其返回值和形參自然是 void 了，要使得 CPU 能夠找到中斷服務(wù)子程序，那么這個(gè)函數(shù)的函數(shù)名不是隨意命名的，比如這里的 EXTI0_IRQHandler,這個(gè)函數(shù)名與中斷向量表中表項(xiàng)的值是對(duì)應(yīng)起來(lái)的，因?yàn)楹瘮?shù)名從數(shù)值上看代表的是函數(shù)的入口地址。
上述說(shuō)到是因?yàn)?ARM Cortex M3 的 CPU 在處理中斷服務(wù)函數(shù)的返回地址時(shí)用的指令和普通函數(shù)調(diào)用時(shí)的返回地址的指令一致，所以才能夠使中斷服務(wù)函數(shù)的寫法與普通 C 語(yǔ)言函數(shù)沒(méi)有差異，下面舉一個(gè) 51 單片機(jī)的定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)的例子：

void InterruptTimer0() interrupt 1
{
    /*省略*/
}

上述的這個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)， InterruptTimer0可以任意命名，但是括號(hào)后面的是有嚴(yán)格規(guī)定的，為了 51 單片機(jī)能夠進(jìn)行中斷處理，C51 編譯器對(duì)函數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了一個(gè)擴(kuò)展關(guān)鍵字interrupt，從而讓 CPU 知道這個(gè)是一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)。

中斷的嵌套

C 語(yǔ)言函數(shù)能夠進(jìn)行嵌套調(diào)用，同樣的中斷服務(wù)函數(shù)也能夠進(jìn)行嵌套，同樣的用一張圖來(lái)表明中斷的嵌套：

可以看到中斷的嵌套也是在消耗堆棧的，和使用函數(shù)嵌套調(diào)用一個(gè)道理，這里需要注意的是中斷是存在優(yōu)先級(jí)的，如果發(fā)生了一個(gè)比當(dāng)前執(zhí)行的中斷優(yōu)先級(jí)低的中斷請(qǐng)求，那么新產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求會(huì)等待正在執(zhí)行的中斷執(zhí)行完成之后才開始響應(yīng)新的中斷，如果產(chǎn)生的中斷的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)要高，那么也就會(huì)像上圖所示一樣進(jìn)行執(zhí)行。另外需要注意的是，中斷的優(yōu)先級(jí)是有限的，也就是說(shuō)中斷嵌套的層數(shù)是有限的，如果再考慮堆棧溢出的話，那么中斷嵌套的層數(shù)還和堆棧的大小有關(guān)。

總結(jié)

上述就是關(guān)于中斷的相關(guān)內(nèi)容，簡(jiǎn)單地?cái)⑹隽酥袛嗍侨绾雾憫?yīng)的，如何執(zhí)行保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的操作，CPU 如何根據(jù)中斷向量表找到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，以及中斷的嵌套，這就是這次分享的全部?jī)?nèi)容啦~

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