幾乎每個嵌入式系統都使用中斷服務程序。如果你需要跟蹤時間，你可能會有一個產生系統滴答的定時器中斷。如果你有一個USART，你可能正在使用中斷。使用DMA進行更高效的數據傳輸？你可能正在使用中斷。

中斷是嵌入式系統不可或缺的一部分。不幸的是，寫得不好的ISR會導致系統出現爭用情況、響應能力差，甚至CPU使用過度。

在本帖中，我們將探討撰寫高效ISR的幾種最佳實踐。

 

1.保持簡短快速

中斷超級酷！當你的代碼正在執行并且發生重要事件時，程序會被中斷以跳轉到中斷服務例程。發生跳轉時，寄存器的當前狀態需要存儲在中斷幀中。

中斷幀被推送到堆棧上，并進入ISR。中斷運行，然后中斷幀恢復，應用程序恢復。可以想象，每次運行中斷服務程序時，這個過程都會消耗CPU周期并產生開銷。周期數因處理器和架構而異，但中斷兩端的周期數可能在12到數百個之間。

 

雖然我們對中斷開銷無能為力，但我們可以控制中斷中使用的周期數。可以想象，ISR執行所花費的CPU周期越多，對我們的應用程序代碼的影響就越大。長而慢的中斷會導致程序不同部分的抖動和其他時序問題。它們甚至會導致其他中斷丟失或延遲！

經驗法則是讓你的中斷短而快！

 

2.不要調用函數

如果你希望你的ISR短而快，你應該避免在ISR內部進行函數調用。函數（尤其是那些開銷巨大或執行復雜任務的函數）會大大增加ISR的執行時間。增加的執行時間會導致中斷丟失或其他關鍵任務的延遲處理，從而可能導致系統不穩定。

當在ISR中調用一個函數時，它涉及到額外的步驟，如將當前上下文推送到堆棧上、跳轉到函數代碼并返回到ISR。這些額外的步驟消耗了寶貴的CPU周期。如果函數包含阻塞調用、等待I/O操作或依賴中斷期間可能處于不一致狀態的資源，則可能會嚴重影響系統的響應能力和可預測性。

現在，你可能認為編寫ISR會違反軟件開發最佳實踐。畢竟，我們不應該模塊化我們的代碼嗎？沒有職能，我們的ISR不會變得混亂嗎？

使用一些技巧來規避“不調用函數”的最佳實踐：

1）使用靜態編譯或預處理程序。

根據你的語言，復雜的計算或至少部分計算可能會在編譯時執行。通過在編譯時執行這些計算，ISR在運行時需要執行的工作將會減少。

2）內嵌函數

你仍然可以將你的ISR代碼放入函數中，但是不要將它們作為常規函數，而是使用inline關鍵字。inline關鍵字會建議編譯器不要調用該函數，而是應該將該函數的內容“復制并粘貼”到調用者中。

內聯函數將消除與函數調用相關的開銷。被警告！只是給編譯器的一個建議！你必須在程序集中驗證該函數實際上是內聯的。

注意：今天大多數編譯器會采納我們的建議，但你不能毫無疑問地相信它！

通過避免ISR中的函數調用，你可以保持中斷處理的效率和可靠性，確保你的系統在各種條件下保持響應和穩定。

 

3.將進程卸載到其他線程

中斷并不是用來做很多繁重的工作的。我們希望中斷短而快，這意味著它應該做最少需要做的事情。例如，如果你正在通過USART接收作為數據包一部分的字節，則不會在中斷中處理該數據包。你處理該字節，然后設置一個標志來指示程序的另一部分應該處理該數據。

通過將密集的進程卸載到其他線程，你可以確保ISR保持高效和快速響應。這種方法可以在裸機或多線程環境中使用。以下是你如何有效地將處理任務轉移到ISR之外的方法：

1）設置標志

使用簡單的標志來指示事件已經發生。主程序或另一個線程可以監視這些標志，并在安全的情況下進行必要的處理。

使用隊列

實現隊列將數據從ISR傳遞到其他線程。這樣，ISR可以快速將數據排隊并返回處理中斷，同時主程序或專用工作線程可以處理排隊的數據。

3）線程同步

確保ISR和其他線程之間的正確同步，以避免競爭情況和數據損壞。根據需要使用互斥、信號量或其他同步機制。

 

通過遵循這些實踐，你可以在嵌入式系統中保持高水平的性能和可靠性。這將確保ISR保持快速和高效，同時安全地處理和控制更復雜的處理。

 

4.對共享變量使用volatile

當ISR和主程序共享變量時，將它們聲明為volatile是至關重要的。volatile關鍵字告訴編譯器，變量值可能會在程序流的控制之外隨時更改，從而防止編譯器應用假定值不會意外更改的特定優化。

如果沒有volatile關鍵字，編譯器可能會優化掉必要的讀取或寫入，從而導致不可預測的行為和難以診斷的錯誤。Volatile將為你做三件事：

1）阻止優化

編譯器假定非易失性變量不會改變，除非程序顯式修改它。對于共享變量，這種假設是錯誤的，因為ISR可以隨時更改變量。將變量聲明為volatile會阻止編譯器優化必要的讀取或寫入。

2）確保數據是新鮮的

使用volatile時，編譯器總是從內存中讀取值，而不是使用寄存器中的緩存值。這確保了主程序看到ISR寫入的最新值，反之亦然。

 

結論

中斷服務例程對于每個嵌入式系統都至關重要。如果你想讓你的系統反應靈敏和高效，你必須正確地實現你的中斷。我無法告訴你我遇到性能差的系統的頻率，根本原因是ISR寫得不好。

如果你遵循本文中的最佳實踐，你的中斷會表現得更好，引起的問題也會更少。