interrupt-management
2025-09-07 19:40:59 #FreeRTOS

中断注意事项

在FreeRTOS中，任务程序由内核调度器统一调度和执行，程序的运行情况在一定程度上是稳定可预测的；中断相对而言是由外部环境决定是不可预测的，会对系统引入不确定性，如果使用不当的话会导致系统的失效和不稳定。
对中断的使用要根据实际需求和使用场景来决定，通过合理的配置和与FreeRTOS的中断管理（Interrupt Management）配合可以达到系统的高效能和高稳定性。

FreeRTOS中断管理

在FreeRTOS中中断的优先级和任务的优先级是有区别的,中断拥有更高的权限。

  • 任务的优先级是由用户设置内核管理器管理的软件特性（software feature），与操作系统所在的硬件平台无关。
  • 中断的优先级是由硬件平台相关的硬件特性（hardware feature），在中断代码运行的时候任务的代码将无法运行。即使是拥有最小优先级的中断也会打断拥有最高优先级的任务。
    FreeRTOS对于一些系统API函数提供两种版本，一种是供任务调用的，一种是供中断调用的（Interrupt Safe API）。由中断调用的API函数后缀上会有“FromISR”。

当在普通任务中调用FreeRTOS的API函数（如xQueueSend()、xSemaphoreGive()等）时：如果configUSE_PREEMPTION设置为1（抢占式调度）,并且调用API后有更高优先级的任务变为就绪状态,调度器会自动立即切换到那个更高优先级的任务。

当在中断处理时调用特殊的"FromISR"版本的API（如xQueueSendFromISR()、xSemaphoreGiveFromISR()等），如果有更高级别的任务进入就绪态，系统不会在中断处理函数结束后自动切换任务。而是需要手动根据"FromISR"版本函数的一个自带参数pxHigherPriorityTaskWoken参数的值，调用portTIELD_FROM_ISR(pxHigherPriorityTaskWoken)来手动决定是否切换任务。

  • 如果API的调用导致更高级别任务进入就绪态，pxHigherPriorityTaskWoken参数会被设为pdTRUE
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// 中断处理函数
void vUARTInterruptHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    char receivedChar;
    
    // 假设收到一个字符
    receivedChar = UART_READ_REGISTER;
    
    // 将字符发送到队列，可能会唤醒等待队列的高优先级任务
    xQueueSendFromISR(xCharQueue, &receivedChar, &xHigherPriorityTaskWoken);
    
    // 中断结束前，检查是否需要任务切换
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

延迟中断处理

延迟中断处理是一种设计模式：

  • 最小化的中断服务程序(ISR)：只做必要的紧急处理
  • 专门的高优先级任务：处理剩余的中断相关工作

优点：

  • 缩短中断响应时间：ISR应尽可能短，减少中断禁用时间
  • 提高系统响应性：复杂处理放在任务中，不阻塞其他中断
  • 简化代码：在任务中可以使用所有FreeRTOS API，而不仅限于FromISR版本
  • 优先级控制：通过任务优先级控制中断处理的优先顺序
  • 便于调试：任务比ISR更容易调试
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// 中断服务程序 - 硬件直接调用
void InterruptHandling()
{
   RecordInterrupt();     // 记录中断信息（可能存储到全局变量或队列）
   ClearInterruptFlag();  // 清除中断标志，允许新的中断发生
   portYIELD_FROM_ISR(pdTRUE); // 强制任务切换，让高优先级任务立即执行
}

// 中断处理任务 - 由调度器调度
void vInterruptHandling(void const * argument)
{
   // 无限循环，等待中断发生
   for(;;) {
       ProcessInterrupt(); // 处理之前记录的中断信息
   }
}

工作流程：

  1. 硬件中断触发，进入InterruptHandling()函数
  2. ISR只做简单的记录和清除标志工作
  3. ISR调用portYIELD_FROM_ISR(pdTRUE)强制任务切换
  4. 调度器选择最高优先级的就绪任务
  5. 如果中断处理任务vInterruptHandling()是最高优先级，它会立即执行
  6. 中断处理任务分析并处理中断数据

一般还会搭配信号量，队列等机制来避免一直处于高优先级就绪态，阻塞其他任务执行。

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void vInterruptHandlingTask(void *pvParameters)
{
    for(;;) {
        // 等待中断通知，这里任务进入阻塞态
        // 只有当接收到通知时，任务才会变为就绪态
        if(xSemaphoreTake(xInterruptSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            
            // 处理中断相关的工作
            ProcessInterrupt();
            
            // 处理完成后，循环回到开头，再次尝试获取信号量
            // 如果没有新的中断发生，任务会再次阻塞在这里
        }
    }
}
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