RT-Thread学习笔记-7、RT-Thread中断管理学习总结

本文的内容是关于RT-Thread中断管理的学习总结，包括简单地介绍了什么是中断，裸机中断与RT-Thread中断有什么区别，RT-Thread是如何处理中断的，RT-Thread内核提供哪些中断相关的接口，等等。

关于RT-Thread中断管理相关的内容，官方提供了比较丰富的文档作为参考，具体可以查看以下链接：
https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/interrupt/interrupt/#rt-thread


本文尝试从以下几个方面总结一下RT-Thread中断管理的学习过程。

中断相关的概念描述

什么是中断？中断，顾名思义就是一项正在进行的工作，突然间被其他事情打断，导致原来正在进行的工作不能继续正常进行，而需要去把其他事情处理完，才能回来继续进行原来的工作。


如何通俗地理解中断？想象一下这样的场景，周末你正在家里愉快地写着代码，突然间你的手机铃声响了，你必须停下手里的工作，记录代码写到哪个阶段，然后就去接这个电话了。“写代码”就是正在进行的工作，“电话响起”就是中断事件。


这个电话是媳妇打过来的，她让你去菜市场买点韭菜和猪肉，晚上包饺子吃，媳妇的话哪敢不听，于是你觉得菜市场买东西比较重要，挂掉电话后就去买东西了，买完东西回来后，再接着写刚刚还没完成的代码。“菜市场买东西”就是中断服务程序，这就是一个典型的中断处理过程。

关于中断的操作模式和特权级别，Cortex-M的处理器有三种状态划分，分别是：特权级处理模式，特权级线程模式，用户级线程模式。这三种状态的关系，如下图所示。

从上图可以看出，中断或异常的服务程序，总是处于特权级处理模式的。而RT-Thread系统内核复位上电时启动的主线程（main线程），是运行在特权级线程模式的。其他用户创建的线程，是运行在用户级线程模式的。


为什么处理器要区分特权级和用户级？特权，顾名思义就是处理器如果工作在这个级别下，权限就会比较高，就可以访问一些特殊的寄存器，以防止用户级的代码访问这些特殊寄存器，对数据进行破坏。中断由于其特殊性，所以，中断函数是工作在特权级别下的。


裸机中断与操作系统中断两者有什么区别呢？我们在裸机代码中处理硬件中断的时候，一般只要编写中断处理函数就可以了，这种方式处理中断，简单且直接。


然而，有了操作系统之后，所有的东西都变了，要考虑的问题就多了很多。因为操作里面运行了很多线程，中断来了之后，就要告知操作系统，把当前运行线程的信息保存到栈里面，再去处理中断服务程序，处理完中断要再回去处理线程，此时又可能涉及到线程切换调度，而线程切换本身又需要PendSV中断参与。


所以，在裸机处理中断和在操作系统中处理中断，简直就是天壤之别。

RT-Thread 中断处理机制


了解过Cortex-M系列单片机的工程师，一般都知道在芯片的汇编启动文件startup_xxx.s里面，有一个中断向量表，所有的中断都是通过这个中断向量表来进行处理的。


当一个中断异常触发的时候，处理器将会判断是哪个中断源，然后跳转到固定位置进行处理，每个中断服务程序的地址入口必须是放到统一的地址上，也就是需要设置到NVIC的中断向量偏移寄存器里面，中断向量表如下图所示。

其实，不管有没有操作系统的参与，一旦硬件发送中断和异常之后，中断的入口都是在这个中断向量表的。区别无非就是在裸机环境下，直接处理中断服务程序，而在有操作系统的情况下，需要先保留线程的运行情况，然后再处理中断，处理完中断后，再恢复线程的运行环境。


硬件中断的优先级是最高的，任何线程的优先级都要低于硬件中断，因此，只要发生了硬件中断事件，系统就必须要进行相应的处理。


RT-Thread在处理中断的时候，一般都会有三个阶段：中断前导程序，中断服务程序，中断后续程序，这三个阶段，如下图所示。

中断前导程序的主要工作是，当中断事件发生的时候，处理器的硬件会把当前CPU相关的寄存器参数自动压入中断栈里面。程序需要调用rt_interrupt_enter()函数，把全局变量rt_interrupt_nest进行加1操作，这个全局变量是用来记录中断的嵌套层数的。

用户中断服务程序的主要工作分两种情况，一种是不进行线程切换，另一种是进行线程切换。不进行线程切换的话，中断服务程序和中断后续程序运行完成后，将返回被中断的线程。

而如果要进行线程切换，则会调用rt_hw_context_switch_interrupt() 函数进行上下文切换，这个函数主要是设置变量rt_interrupt_to_thread，然后触发PendSV中断。

在这里要注意一下：由于PendSV中断的优先级最低，不能进行中断抢占，因此即使触发了该中断，但由于此时还在用户中断处理函数里面，所以PendSV中断还处于等待阶段，只有退出了中断后续程序，才会进行PendSV中断处理，才会进行线程的上下文切换。所以，线程的上下文切换是不会在用户中断里面进行的，是在中断结束后进行的。

中断后续程序的主要工作是，通知系统内核离开中断状态，通过调用rt_interrupt_leave()函数，将全局变量rt_interrupt_nest进行减1操作，然后从中断栈里面恢复恢复CPU相关的寄存器参数。

这里恢复CPU寄存器参数的时候需要注意，如果在用户中断里面涉及到线程切换，那么这个时候就需要恢复到新的线程CPU寄存器参数，而不是恢复到被中断打断的线程CPU寄存器参数。

RT-Thread操作系统在处理中断的时候，通常采用“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种方式。原因在于，操作系统本身不会对中断服务程序的处理时间做任何假设和限制，但为了保证系统的实时性，用户需要保证中断服务程序在尽可能短的时间内完成。

如何理解“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种中断处理方式？还是以买菜为例。媳妇来电话让你到菜市场买菜（中断事件），但你考虑到如果长时间中断不写代码，会导致思路断链，为了避免这种情况（避免长时间处理中断服务），完全可以在网上下单购买（短时间的中断处理），生鲜超市收到下单信息（信号量、邮件、消息队列），就会安排快递小哥送货上门，买菜这么耗时的工作就由其他人（其他线程）去完成了。

“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种中断处理方式，主要是应用在一些需要耗时处理中断事务的场合，比如数据的接收和处理。通常接收数据的时间比较短，只要把接收到的数据保存下来即可，但处理数据的过程就可能比较耗时，这样就需要分开来处理，上半部分就是接收数据，底半部分就是耗时的数据处理。

RT-Thread中断相关的API函数接口


为了把操作系统和硬件底层的中断异常隔离开来，RT-Thread系统内核把中断和异常封装为一组抽象的接口，具体的函数接口如下图所示。

RT-Thread中断相关的应用示例


RT-Thread中断相关的应用示例，主要是为了验证中断相关的API接口函数，例如全局中断开关的使用示例，通过按键中断示例来验证“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种中断处理方式。


示例源码下载链接：
https://github.com/embediot/rtthread_study_notes


全局中断开关示例，主要是为了验证多线程访问同一个变量时，使用开关全局中断的方式对该全局变量进行临界区保护。


按键中断示例，主要是为了验证“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种中断处理方式。通过按键触发中断事件，在中断服务函数里面发送邮件，通知线程进行相应的处理。


在irq_test.h头文件里面，通过打开相应的宏定义开关，重新编译工程源码，下载到开发板即可验证实验现象，如下图所示。

RT-Thread中断应用的注意事项


中断是一种异常，当系统发生中断异常的时候就必须要进行处理，在RT-Thread实时操作系统里面处理中断的时候，如果不及时处理或对中断处理不当，轻则会造成系统出错或逻辑混乱，重则会导致系统毁灭性地瘫痪。


在处理RT-Thread中断异常的时候，有以下注意事项：


1、中断服务程序工作在特权级处理模式，优先级比任何线程要高，任何线程都不能抢占中断服务程序。


2、在操作系统里面，可以支持中断嵌套，高优先级中断可以抢占低优先级中断，线程的重新调度是在所有中断都处理完之后才重新启动的。


3、在Cortex-M架构里面，中断发生时CPU的寄存器入栈是由硬件自动完成的，中断的前导程序通常只是记录中断的嵌套层数。


4、RT-Thread采用独立的内存空间作为中断栈，而不是采用线程栈作为中断栈，这种方式随着线程的增加，减少内存占用的效果也越明显。


5、建议采用“上半部分（Top Half）”和“底半部分（Bottom Half）”这种方式来处理中断异常，中断服务程序的处理时间应尽可能短。


6、使用全局中断开关是禁止多线程访问临界区最简单的一种方式，这种方式可以应用在任何场合，但要注意这种方式对系统实时性影响巨大，使用不当会破坏系统的实时性能。使用全局中断锁的时间应尽可能短。


7、全局中断开关支持多级中断嵌套使用，每次调用rt_hw_interrupt_enable()函数，可以让系统恢复到关中断之前的状态（这个状态有可能是关中断也有可能是开中断）。


8、中断服务程序是运行在特权处理模式下的，在这种运行模式里面是不能使用挂起当前线程操作的相关函数的，因为中断服务程序的运行环境里面根本不存在线程。


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