單片機微控制器中斷處理算法改進

王 婷，王麗娟

(中國空空導彈研究院 11所，河南洛陽 471009)

單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術將處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到同一芯片上，構成了一個小且完善的計算機系統(tǒng)［1-2］。由于其功能靈活、集成度高、可靠性好，因此在工業(yè)控制領域有廣泛的應用。在使用某型微控制器對電源進行控制和檢測時發(fā)現(xiàn)，軟件中斷處理算法中存在的問題，本文對這些問題進行分析，并提出解決方法，為今后深入應用提供參考。

1 概述

文中采用NXP的LPC2132單片機完成電源控制、檢測、通訊等功能，該單片機基于ARM7核心，具有運行速度快、外設豐富、使用簡單等優(yōu)點。

在該電源系統(tǒng)中，該單片機主要完成以下工作:利用UART串口接受控制指令輸入并輸出狀態(tài)信號和測試數(shù)據(jù)、對電壓進行 A/D采樣、完成控制算法、用PWM脈寬調制技術控制穩(wěn)壓電源的變換和輸出，接收其他外部控制指令完成點火控制、故障處理等功能。

為實現(xiàn)上述功能，采用如下中斷算法:

(1)開啟串口接收和發(fā)送中斷，在中斷服務程序中完成串行數(shù)據(jù)的收發(fā)，數(shù)據(jù)包的整合、校驗、拆解。

(2)開啟定時器0周期中斷，在定時器周期中斷中完成控制指令的獲取、數(shù)據(jù)分析、完成控制算法和控制信號的輸出。

(3)開啟4路外部事件中斷，用于獲得外部脈沖控制信號和故障處理。

(4)開啟A/D采樣中斷，自動完成各通道信號的采集，并將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存緩沖區(qū)，供控制算法調用。

在以上程序中，定時器0中斷作為主任務完成整個系統(tǒng)的任務調度，其他外部中斷不斷觸發(fā)各種任務，完成指令和數(shù)據(jù)的更新，供主任務調度。

最初上述中斷算法能夠滿足要求，隨著功能的增加，如要求電源能夠對外部控制信號做出快速反應;更高要求的串行通訊的可靠性;更加精確快速要求的電源控制算法的實現(xiàn)使得上述中斷算法的不足逐漸突現(xiàn)，需進行改進。

2 算法分析

由于采用LPC2132主頻較低，沒有DSP核，運算能力較弱，進行功能、串行通信和算法的增加和擴充后，原算法越來越無法滿足要求。

在上述的中斷算法中，LPC2132處理器輪流執(zhí)行定時器、A/D、串口、外部中斷等任務程序。與其他大多數(shù)處理器一樣，在響應一個中斷任務的同時，處理器自動屏蔽中斷使能，只在完成當前中斷服務程序后，才響應另一個中斷。由于定時器0周期中斷程序需完成各種任務和控制算法，其執(zhí)行周期較長，在其運行時間內(nèi)，處理器無法響應串行數(shù)據(jù)中斷，如果在定時器0周期中斷程序執(zhí)行的時間內(nèi)收到2 Byte以上UART數(shù)據(jù)，則可能造成通訊數(shù)據(jù)的丟失。同樣當系統(tǒng)執(zhí)行定時器0周期中斷和串行通訊中斷時，也無法響應外部中斷事件，使得外部控制信號的響應時間被延遲，系統(tǒng)功能以及算法越復雜，延遲時間越長。當有緊急外部事件時將不能響應，如故障處理。這些是不允許的，在程序執(zhí)行中需確保這類緊急事件能得到及時響應。

上述問題主要是由于某個任務中斷服務程序執(zhí)行時間過長，此期間關閉了其他中斷，導致其他緊急任務的中斷無法被觸發(fā)執(zhí)行。要該問題，除更換更快速的DSP處理器外，還應優(yōu)化軟件結構。

軟件上考慮采用以下方法［3-5］:

(1)盡量縮短每個中斷服務程序的執(zhí)行時間。在中斷中僅通知系統(tǒng)事件發(fā)生，而事件的處理交給一個獨立的任務處理，在該任務處理中，中斷系統(tǒng)是打開的，不會阻塞其他外設響應。但當任務較多時，如何管理、組織這些任務，使系統(tǒng)盡快執(zhí)行緊急的任務，則需要引入嵌入式實時操作系統(tǒng)來調度任務。而對于電源這類簡單的系統(tǒng)，引入操作系統(tǒng)顯得過于復雜。

(2)使中斷可重入，即在一個執(zhí)行較長的中斷處理程序中，再次打開中斷，使處理器能夠在該中斷服務程序中，隨時被更緊急的中斷事件打斷，優(yōu)先執(zhí)行緊急的中斷服務程序，執(zhí)行完畢后，再繼續(xù)本中斷服務程序。某些處理器能夠硬件處理中斷的重入，而LPC2132是基于ARM7結構，其硬件不具備中斷重入功能，因此只能靠軟件實現(xiàn)。

軟件可以使用嵌入式實時操作系統(tǒng)完成中斷的重入，但該方法過于復雜，所以這里采用一種簡單的方法實現(xiàn):

當進入中斷服務時，系統(tǒng)自動將全局中斷使能屏蔽，導致無法響應新的中斷，那么在某個中斷服務程序中，清除當前中斷源、重新使能全局中斷就可以使系統(tǒng)響應其他中斷，初步代碼如下:

VICIntEnClr=1?14;//清除當前中斷源VICVectAddr=0x00;//通知系統(tǒng)中斷變化IRQEnable();//使能IRQ中斷

在實際的操作中，該方法能夠在中斷服務中，重新打開系統(tǒng)中斷，使CPU能響應新的中斷。但有時軟件會跑飛，沒有正常完成中斷嵌套和返回，需進一步改進。

3 算法改進

中斷服務程序要想不破壞主程序狀態(tài)并能正確返回，必需正確進行現(xiàn)場的保護和恢復。在匯編語言中，這些任務由編程者手動實現(xiàn)，在C語言中，這些任務由編譯器自動完成。

C語言編程中，一個典型中斷服務程序如下:

_irq聲明該函數(shù)為中斷服務程序，keil編譯器自動在函數(shù)內(nèi)部增加了中斷現(xiàn)場保護的代碼，編譯器增加的中斷現(xiàn)場保護和恢復的代碼如下:

但在這部分代碼中，并沒有完整的保護現(xiàn)場，程序的返回地址并沒有保存。

一般的單片機如AVR，中斷時C語言將下一條指令地址PC+1保存入堆棧SP中，返回時將彈出地址彈出到PC，只要堆棧足夠大這樣的嵌套中斷不會有問題，但LPC2132不同。

ARM7處理器在進入IRQ異常處理時，內(nèi)核硬件自動執(zhí)行以下工作:

(1)將返回地址保存到r14_irq。中斷處理程序可以利用r14_irq-4寫入PC來返回。

(2)將CPSR當前值存入SPSR_irq。返回時可以通過SPSR_irq恢復CPSR。

(3)設置CPSR為irq模式，同時置位中斷禁止控制位。

(4)設置PC為相應中斷處理程序入口地址，跳轉到中斷處理程序。

因此在中斷處理程序中，軟件應當執(zhí)行:1)將r14_irq-4寫入PC來返回;2)將SPSR值復制回CPSR，同時清零中斷禁止控制位。

可以看出，由硬件完成了部分現(xiàn)場保存工作，但__irq聲明中斷服務程序時編譯器不對R14_irq進行保護，因此當再次打開中斷時，R14_irq會被新發(fā)生中斷的斷點值覆蓋，這時被打斷的中斷服務程序將會出錯。假設有下面一種情況:

在上述程序，IRQ處理函數(shù)IRQ_Handler()中調用了函數(shù)Fun1()，若在IRQ_Handler()里中斷可重入，則當新中斷請求恰好在“BL Fun1”指令執(zhí)行完成后發(fā)生時，LR寄存器的值將調整為BL指令的下一條指令(ADD)地址，這樣程序能從Fun1()正確返回;但這時發(fā)生了新的中斷請求，需要進行新中斷的響應，此時處理器為了能使新中斷處理完成后正確返回，也將進行LR_irq保存。這兩次對LR_irq的操作將發(fā)生沖突，當新中斷返回后執(zhí)行STMFD指令時，壓棧里的LR不是原ADD指令地址，子程序Fun1()將無法正確返回。

由上述分析可知，僅靠_irq聲明中斷服務程序不能完成嵌套下的中斷服務程序，需手動完成相應的保護。由于中斷時刻LR_irq的保護是硬件實現(xiàn)的，所以可以在重新使能中斷之前改變處理器的模式，使程序中的“BL Fun1”指令不在IRQ模式下運行。這樣當新中斷發(fā)生時就不會對LR寄存器重復操作［1-2］。

手動完成中斷現(xiàn)場的保存和恢復，無需編譯器自行生成保護代碼和_irq聲明，中斷服務程序用C語言的普通函數(shù)實現(xiàn)中斷嵌套。

用這種方法改進后，經(jīng)調試程序可以實現(xiàn)中斷的嵌套運行，但程序會死機、出錯。需進一步分析解決。

當某個中斷發(fā)生時，LPC2132的CPU會自動地去取對應的中斷向量，并檢查對應的中斷是否使能并掛起，這個過程和一般CPU對中斷的處理過程類似，由硬件自動進行。但LPC2132不同的是:CPU除完成以上工作外，還要檢查這個中斷在這么短的時間里，中斷條件是否滿足，若不滿足，則認為是偽中斷。以上造成了程序的死機和出錯。

控制器LPC2132采用的是ARM7處理器，該處理器為3級流水線設計，內(nèi)核沒有配備外設中斷處理器，且向量中斷控制器(VIC)集成在內(nèi)核外，造成中斷處理有異步特性。當中斷源發(fā)出請求后，流水線上還有兩條指令未執(zhí)行，要等這兩條指令執(zhí)行完后，才能處理中斷的請求，若這兩條指令中有關于中斷處理的，例如關中斷，或在執(zhí)行這兩條指令時中斷源被清除、VIC的狀態(tài)發(fā)生改變，這就會觸發(fā)偽中斷。

以上整個過程可能經(jīng)過以下步驟:(1)VIC判斷是否有IRQ中斷。若有，則向內(nèi)核發(fā)送IRQ信號。(2)內(nèi)核保存IRQ狀態(tài)。(3)執(zhí)行流水線的多個周期的處理。(4)內(nèi)核從VIC中裝入IRQ地址。

若在執(zhí)行到步驟(3)時，向量中斷控制器的狀態(tài)改變，那么就將發(fā)生偽中斷。筆者碰到兩種偽中斷情況:

情況1 在步驟(3)時執(zhí)行了關中斷指令。這將導致中斷服務程序入口處CPSR中的中斷是禁止的，并被保存到SPSR。這樣當中斷返回恢復SPSR，中斷還是禁止的，造成此后的程序不正常。

情況2 向向量中斷控制器發(fā)送IRQ信號的中斷標志丟失。當進入偽中斷，VIC將不能裝載到VICVectaddr中的中斷服務程序入口地址，裝載到的是VICDefVectAddr里的默認地址，而這個默認地址在復位后會被置為0x00000000，導致出現(xiàn)假復位。

為防止上述情況的出現(xiàn)，需要采取以下兩種方法來預防偽中斷的產(chǎn)生:1)編寫程序來防止偽中斷的產(chǎn)生;2)正確設置和檢測VIC的默認處理程序。

在之前采用修改后的周立功uc/os-2在LPC2000上的移植代碼解決中斷嵌套和重入問題程序的基礎上，對于情況1，擬采用在中斷服務程序入口處判斷中斷發(fā)生時中斷標志位是否被禁止來解決。若被禁止則說明出現(xiàn)情況1，應立刻離開此中斷服務程序，此時不進行中斷標志的清除，中斷將會在下一次中斷使能時處理。在程序中加入如下代碼:

該方法簡單地解決了情況1遇到的偽中斷問題。

對于情況2，在本控制器程序中，在串行通訊當中，當UART0/UART1的RDA/CTI中斷允許時就可能發(fā)生。在UART0中，當UART0 Rx的FIFO到達寄存器U0FCR7∶6所定義的觸發(fā)點(比如接收4 bit)時，將發(fā)生RDA中斷。當UART0 Rx FIFO的深度低于觸發(fā)點時，RDA中斷標志被清除。當UART0 Rx FIFO包含至少1 bit，且在接收3.5～4.5 bit的時間內(nèi)沒有發(fā)生UART0 Rx FIFO動作時，將發(fā)生CTI中斷。若此時UART0 Rx FIFO有任何動作(讀或寫UART0 RSR)，有字符進來，CTI中斷標志被清除，此時向量中斷控制器無法識別是誰產(chǎn)生了中斷，CTI偽中斷發(fā)生。

同樣，RDA偽中斷也是這樣發(fā)生的。以接收4 bit發(fā)生RDA中斷為例，當UART0 Rx FIFO已接收3 bit，且超過了3.5～4.5 bit的時間，發(fā)生CTI中斷。在系統(tǒng)正確處理CTI中斷時，恰好有一個字符進來，使得UART0 Rx FIFO中的字符數(shù)正好為4，于是發(fā)生RDA中斷。但是由于先處理CTI中斷，CTI中斷程序先讀取了其中的字符，使UART0 Rx FIFO內(nèi)的字符數(shù)小于4，因此RDA中斷標志就被清除了，等到系統(tǒng)處理RDA中斷時，偽中斷就發(fā)生了。

為解決CTI/RDA偽中斷，在本程序中，采用修改默認中斷處理程序VicDefVectAddr的方法解決。在程序跳轉到默認中斷處理程序時，盡快讀出UART0的接收數(shù)據(jù)，解決串行通訊中的偽中斷問題。這種方法簡單易行，效果良好。

4 進一步改進

經(jīng)過上述分析，本控制程序已經(jīng)基本解決了中斷嵌入和偽中斷問題，在實際應用中發(fā)現(xiàn)仍有問題需進一步改進。

4.1 中斷優(yōu)先級問題

在上述簡單的重新打開中斷允許位的方法中，有可能會使能全部中斷，從而導致一個正在運行的中斷被任何其他中斷打斷。此時可以采用中斷優(yōu)先級管理的方法，只允許更緊要的任務中斷打斷當前中斷。由于LPC2132不具備中斷優(yōu)先級管理功能，無法直接為各中斷設置優(yōu)先級。本程序中通過中斷管理器對32個中斷源進行優(yōu)先級的管理。每個中斷都有一個單獨的使能位，在中斷服務程序中手動將更低優(yōu)先級的中斷使能位清除，以避免打擾當前中斷，服務程序結束時再將其恢復，就可以實現(xiàn)只允許更高優(yōu)先級的中斷重入，達到優(yōu)先級管理。該方法在硬件無法實現(xiàn)的情況下，由軟件實現(xiàn)了中斷優(yōu)先級管理，完善了中斷嵌套算法。本程序的示例代碼如下:

4.2 可重入問題

另外在軟件的編寫中發(fā)現(xiàn)，由于采用了中斷嵌套，A/D中斷和定時器0周期中斷可能同時調用一個函數(shù)，該函數(shù)第一遍尚未執(zhí)行完，所占用的變量還未釋放，就被再次執(zhí)行。若該函數(shù)中使用了全局變量，兩次調用同時改變了全局變量的內(nèi)容，將導致程序出錯。故在考慮中斷嵌套使用時，要考慮可重入性的設置，對于一段可能會被同時訪問的程序或者變量，應按照可重入的要求編寫可重入性以避免此類問題。

5 結束語

本文對電源所用控制器LPC2132中斷程序設計中的中斷算法問題進行了分析，提出了簡單易行的改進方法，并分析了ARM處理器中斷的特點，同時給出了中斷程序設計中中斷嵌套問題、偽中斷問題和中斷優(yōu)先級等中斷算法問題的有效地解決方法及簡單的代碼，進一步完善和優(yōu)化中斷控制算法。

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