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中断服务程序（ISR）与主循环共享变量时，访问冲突（数据竞争）如何解决

news 2025/10/28 9:36:27

在单片机开发中，中断服务程序（ISR）与主循环共享变量时，由于中断可能在主循环操作变量的任意时刻触发，极易导致数据不一致（比如主循环读取变量时被中断打断，中断修改后主循环继续读取，得到错误值）。解决该问题的核心是保证共享变量的 “操作原子性”（即操作过程不被中断打断），常见方法如下：

1. 基础：用 `volatile` 关键字声明共享变量

共享变量必须用 volatile 修饰，告诉编译器 “该变量可能被意外修改（如中断），禁止优化到寄存器中，每次访问必须从内存读取”。

示例：

volatile uint32_t shared_cnt;  // 中断和主循环共享的计数器

若不加volatile，编译器可能会将变量缓存到寄存器，导致主循环无法感知中断对变量的修改。

2. 核心：保证操作的原子性

根据共享变量的类型（单字节 / 多字节）和操作复杂度，选择以下方法：

方法 1：访问时临时禁用中断

在主循环读写共享变量前，先禁用中断；操作完成后，再重新使能中断。确保主循环对变量的操作不被中断打断。

注意：禁用中断的时间要尽可能短，避免影响中断响应的实时性（尤其是对高频 / 高优先级中断）。

示例（以 STM32 为例，用 __disable_irq() 和 __enable_irq()）：

// 中断服务程序：修改共享变量
void TIM_IRQHandler(void)
{if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET){shared_cnt++;  // 中断中修改共享变量TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);}
}// 主循环：读取共享变量
int main(void)
{uint32_t local_cnt;  // 用局部变量暂存共享变量的值while (1){__disable_irq();  // 禁用所有中断local_cnt = shared_cnt;  // 读取共享变量（操作被保护）__enable_irq();   // 重新使能中断// 主循环使用 local_cnt 处理，无需再访问共享变量printf("Count: %lu\n", local_cnt);}
}

方法 2：使用原子操作（适合单字节 / 硬件支持的场景）

若共享变量是单字节（如 uint8_t），多数单片机对其读写是 “原子操作”（一条指令完成，不会被中断打断），无需额外处理。

若变量是多字节（如 uint16_t/uint32_t），可利用单片机的硬件原子操作指令（如 ARM 的 LDREX/STREX，或 AVR 的 ATOMIC_BLOCK），确保多字节操作不被中断拆分。

示例1（ARM Cortex-M 系列的原子操作宏）：

LDREX：读取变量时标记 “排他访问”，若期间有其他操作（如 ISR 修改），标记会失效；
STREX：仅当 “排他标记有效” 时才写入变量，否则写入失败，需重试。

volatile uint32_t shared_cnt;  // 多字节共享变量// ISR中修改（用原子操作）
void ISR(void)
{uint32_t temp;do{temp = LDREXW(&shared_cnt);  // 排他加载temp++;  // 修改}while (STREXW(temp, &shared_cnt) != 0);  // 排他存储，失败则重试
}// 主循环中修改（同样用原子操作）
int main(void)
{uint32_t temp;while(1){do{temp = LDREXW(&shared_cnt);  // 排他加载temp *= 2;  // 修改}while (STREXW(temp, &shared_cnt) != 0);  // 失败重试}
}

示例2（AVR 的原子操作宏）：

volatile uint16_t shared_val;  // 16位共享变量// 主循环读取（原子操作）
uint16_t read_shared(void)
{uint16_t val;ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) // 原子块：内部自动禁用/使能中断{val = shared_val;}return val;
}

方法 3：用标志位分离数据与控制（减少共享变量暴露）

中断不直接修改主循环的核心数据，而是设置一个 “标志位”（单字节，原子操作）；主循环通过检查标志位决定是否处理数据，处理时再安全读取。

优点：减少共享变量的直接操作，降低冲突概率。

示例：

volatile uint8_t data_ready = 0;  // 标志位：0-未就绪，1-数据可用
volatile uint32_t shared_data;    // 共享数据// 中断：接收数据后置标志
void UART_IRQHandler(void)
{if (UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RXNE) != RESET){shared_data = UART_ReceiveData(UART1);  // 读取数据data_ready = 1;  // 置标志UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RXNE);}
}// 主循环：检查标志并处理
int main(void)
{uint32_t local_data;while (1){if (data_ready){  // 标志位是单字节，读取是原子操作__disable_irq();local_data = shared_data;  // 安全读取数据data_ready = 0;  // 清标志（需在中断禁用时操作，避免重入）__enable_irq();// 处理 local_dataprocess_data(local_data);}}
}

方法 4：数据备份与校验（适合不关中断，低实时性场景）

主循环多次读取共享变量，若连续两次读取结果一致，则认为数据有效（未被中断修改）；否则重试。

优点：不用关闭中断

缺点：可能存在重试开销，两次读取和比较效率低，不适合实时性要求高的场景。

示例：

volatile uint16_t shared_val;uint16_t safe_read(void)
{uint16_t val1, val2;do{val1 = shared_val;val2 = shared_val;}while (val1 != val2);  // 两次读取一致则返回return val1;
}

方法 5：标志位 + `do-while`重试机制（适合不关中断场景）

主循环通过检测标志位判断读取过程是否被 ISR 打断，若被打断则重新读取，从而避免使用错误数据。

示例1：

volatile uint8_t data_state = 0;  // 0: 空闲；1: ISR中已更新
volatile uint32_t shared_data;    // 多字节共享数据// ISR：更新数据前先锁状态，完成后解锁
void ISR(void)
{shared_data = new_value;  // 更新数据data_state = 1; // 标记为“已更新”（单字节，原子操作）
}// 主循环：读取前复位状态，当状态为“已更新”时，重新读取
int main(void)
{uint32_t local_data;while (1){do{data_state = 0; // 复位状态（单字节，原子操作）local_data = shared_data;  // 读取数据（即使被ISR打断，因ISR此时只能在状态0时操作）}while(data_state) // 当状态为“已更新”时，重新读取process(local_data);}
}

优点：

无需关闭中断：避免了关闭中断对实时性的影响，适合对中断响应敏感的场景（如高频传感器数据采集）。
利用单字节标志的原子性：data_state是uint8_t，其读写是原子操作（一条指令完成），ISR 和主循环对标志位的修改 / 读取不会互相干扰（不会出现 “标志位读一半被修改” 的情况）
单字节标记提高效率：相比方法4，多字节进行比较校验，节省代码，提高了效率。

缺点：

无效操： shared_data没有更新也会被反复读取，无效操作导致主循环处理效率下降。

示例2：

volatile uint8_t data_state = 0;  // 0: 空闲；1: ISR中已更新
volatile uint32_t shared_data;    // 多字节共享数据// ISR：更新数据前先锁状态，完成后解锁
void ISR(void)
{shared_data = new_value;  // 更新数据data_state = 1; // 标记为“已更新”（单字节，原子操作）
}// 主循环：读取前复位状态，当状态为“已更新”时，重新读取
int main(void)
{while (1){if(data_state) // 当状态为“已更新”时，才读取{uint32_t local_data;do{data_state = 0; // 复位状态（单字节，原子操作）local_data = shared_data;  // 读取数据（即使被ISR打断，因ISR此时只能在状态0时操作）}while(data_state) // 当状态为“已更新”时，重新读取process(local_data);}}
}