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FreeRTOS中断服务程序（ISR）详细讲解

news 2025/8/16 5:53:32

个人博客：blogs.wurp.top

简介

1、什么是中断服务程序（ISR）:

中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）是用于处理硬件中断的函数。当某个外设（如定时器、串口、GPIO等）触发中断时，CPU会暂停当前执行的任务，转而执行对应的ISR。

2、主要特点：

快速响应：ISR必须尽可能快地执行完毕，以减少对系统实时性的影响。
不能阻塞：ISR中不能调用任何可能引起阻塞的函数（如vTaskDelay()）。
使用特定API：FreeRTOS提供了专门的API来在ISR中与任务通信，例如xQueueSendFromISR()和xSemaphoreGiveFromISR()。

3、FreeRTOS中的中断处理机制:

FreeRTOS 提供了完整的中断处理支持，包括中断服务程序（ISR）的编写、中断优先级管理以及与任务之间的交互。

中断的基本概念

1、中断的触发与响应

中断是一种由硬件或软件触发的事件，用于引起处理器的响应。
中断源可以是定时器、外设（如串口、ADC）、异常（如除零错误）等。

2、中断优先级与嵌套

每个中断都有一个优先级，用于决定多个中断同时发生时的处理顺序。
FreeRTOS 支持多级中断优先级管理。

FreeRTOS中中断服务程序的结构

1、中断服务函数的定义

void vMyISR(void)
{// 1. 保存寄存器（可选，取决于具体硬件）portSAVE_CONTEXT();// 2. 处理中断逻辑// 例如：读取中断源、清除中断标志等// 3. 如果需要触发任务切换，使用 FreeRTOS 提供的函数if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE) {portYIELD_FROM_ISR();}// 4. 恢复寄存器（可选，取决于具体硬件）portRESTORE_CONTEXT();
}

portSAVE_CONTEXT() 和 portRESTORE_CONTEXT() 是用于保存和恢复处理器寄存器的宏，确保中断处理过程中不会破坏任务的上下文。

portYIELD_FROM_ISR() 是 FreeRTOS中用于在中断中请求任务调度的函数。只有在中断处理过程中有更高优先级的任务被唤醒时才调用。

在 FreeRTOS 中，不能在中断服务程序中直接调用任何 FreeRTOS API 函数，除非它们是专门设计用于中断上下文的（如 xQueueSendFromISR() 或 xSemaphoreGiveFromISR()）。

2、使用portENTER_CRITICAL()和portEXIT_CRITICAL()保护临界区

portENTER_CRITICAL()：进入临界区，通常会禁用所有中断（具体实现依赖于硬件平台）。在此之后执行的代码将不会被中断。

portEXIT_CRITICAL()：退出临界区，恢复中断状态。此时允许中断和任务切换继续发生。

portENTER_CRITICAL();
// 临界区代码，例如修改共享变量
x = x + 1;
portEXIT_CRITICAL();

3、中断服务程序中的任务通知与队列操作

void vTimerISR(void) {BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;// 向任务发送通知xTaskNotifyFromISR(xTaskHandle, 0x1234, eSetBits, &xHigherPriorityTaskWoken);// 如果需要切换上下文portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

在FreeRTOS中使用中断

1、配置中断源

使用 NVIC_EnableIRQ() 启用特定的中断源。
在 FreeRTOS 中，中断优先级的配置通常依赖于所使用的处理器架构（如 ARM Cortex-M 系列）。
使用 NVIC_SetPriority() 函数设置中断优先级。
需要将中断优先级设置为低于内核中断（如 PendSV 和 SysTick），以避免抢占内核任务。

2、注册中断服务函数

每个中断源都需要一个对应的中断服务函数。
在 ISR 中，应尽量减少处理时间，并避免调用 FreeRTOS API 函数（除非使用专门的中断安全函数）。
如果需要在 ISR 中触发任务调度，可以使用 xTaskNotifyFromISR() 或 xSemaphoreGiveFromISR() 等函数。

3、使用FreeRTOS提供的中断API

// 设置某个中断的优先级
NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY);// 启用中断
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);// 中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void) {// 处理中断逻辑if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {// 读取数据uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);// 触发任务通知xTaskNotifyFromISR(xTaskHandle, data, eSetValue, NULL);}
}

中断服务程序的最佳实践

1、简单的中断服务程序示例

以下是一个简单的 FreeRTOS 中断服务程序示例，假设使用的是 STM32 微控制器：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"// 定义一个二值信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;// 中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{// 检查是否发生中断if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET){// 清除中断标志位EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);// 使用 xSemaphoreGiveFromISR 发送信号量xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, NULL);}
}// 任务函数
void vTaskFunction(void *pvParameters)
{while (1){// 等待信号量if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE){// 处理中断事件printf("Interrupt occurred!\n");}}
}int main(void)
{// 初始化系统时钟、GPIO 等// ...// 创建信号量xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 创建任务xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 如果调度器启动失败，进入死循环for (;;);
}

2、使用队列传递数据的ISR示例

// 队列定义
QueueHandle_t xQueue;// 初始化队列
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int));
if (xQueue == NULL) {// 队列创建失败处理
}// 在 ISR 中发送数据
void vTimerIsr(void) {int data = 42;// 将数据发送到队列if (xQueueSendFromISR(xQueue, &data, NULL) != pdTRUE) {// 发送失败处理}
}// 在任务中接收数据
void vTaskFunction(void *pvParameters) {int receivedData;while (1) {if (xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 处理接收到的数据printf("Received: %d\n", receivedData);}}
}

3、使用任务通知的ISR示例

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 定义任务句柄
TaskHandle_t xTaskHandle = NULL;// 任务函数
void vTaskFunction(void *pvParameters)
{// 任务进入等待状态，等待任务通知while (1) {ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);// 接收到通知后的处理逻辑printf("任务接收到通知，执行操作...\n");}
}// 外设中断服务程序
void vMyInterruptHandler(void)
{// 发送任务通知给任务xTaskNotifyGiveFromISR(xTaskHandle, NULL);
}// 主函数
int main(void)
{// 创建任务xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 不会到达这里for (;;);
}