📚 课程目录第2章基础知识

2、基础知识：中断的概念、中断向量表、中断优先级、中断嵌套与临界区

TinyML 设备通常运行在资源极度受限的微控制器（MCU）上，主频可能只有几十 MHz，RAM 以 KB 计，Flash 以 MB 计。在这样的环境下，事件驱动的实时响应能力几乎完全依赖中断系统。无论是按键唤醒、传感器数据就绪、定时器溢出，还是无线通信帧到达，中断都是连接“硬件事件”与“软件处理”的核心桥梁。理解中断的概念、向量表、优先级、嵌套与临界区，是设计低功耗、高实时性 TinyML 应用（如关键词唤醒、异常声音检测、振动分类）的前提。本章将系统梳理这些基础概念，并结合 Cortex-M 系列 MCU 与典型 TinyML 场景进行说明。

2.1 中断的核心概念与在 TinyML 中的角色

中断（Interrupt）是一种硬件机制，允许外设或内部事件异步地暂停 CPU 当前正在执行的指令流，跳转到一个预先定义的服务程序（ISR, Interrupt Service Routine）中执行，处理完毕后自动返回被中断的现场继续执行。与轮询（Polling）方式相比，中断不需要 CPU 持续检查事件状态，从而大幅降低功耗并提高响应实时性。

在 TinyML 场景中，中断的角色尤为关键：

事件唤醒：MCU 在睡眠模式下，通过外部中断（如按键、加速度计 INT 引脚）或 RTC 定时中断唤醒，执行一次推理后再次进入睡眠，实现电池供电的长期待机。
数据采集同步：音频采样（I2S/PDM 接口）、IMU 数据流（SPI/I2C）通常依赖 DMA 完成数据搬运，而 DMA 传输完成中断通知 CPU 处理数据块，避免 CPU 逐字节搬运。
推理任务边界划分：中断服务程序只负责“事件检测”和“数据就绪标志”的设置，而耗时的神经网络推理（如 MFCC 特征提取 + CNN 分类）放在主循环或低优先级任务中执行，防止阻塞中断响应。

  核心原则：中断服务程序应保持“短小精悍”——只做必要的寄存器操作、数据拷贝和标志位设置，耗时操作（如浮点矩阵运算、打印日志）一律移出 ISR。这不仅是良好的编程习惯，更是 TinyML 系统实时性和低功耗的基石。

2.2 中断向量表：从事件到处理函数的跳转地图

中断向量表（Vector Table）是一段存储在 Flash 或 RAM 起始区域的内存表，每个表项对应一个中断源，存放该中断的服务函数入口地址。当 CPU 响应中断时，硬件自动根据中断号从向量表中取出目标地址并跳转执行。

以 ARM Cortex-M4 为例，向量表布局如下：

偏移地址	向量内容	说明
0x0000_0000	初始 SP 值	栈顶地址，复位后加载到 MSP
0x0000_0004	Reset_Handler	复位中断入口
0x0000_0008	NMI_Handler	不可屏蔽中断
0x0000_000C	HardFault_Handler	硬件错误处理
0x0000_0040	EXTI0_IRQHandler	外部中断 0（GPIO 唤醒常用）
0x0000_0058	TIM2_IRQHandler	定时器 2 中断（周期性采样）

在 TinyML 工程中，开发者通常使用 STM32CubeMX 或 Keil 启动文件预定义向量表，但需要理解两个关键操作：

向量表重定位：当使用 Bootloader + App 架构时，App 的向量表需通过 SCB->VTOR 寄存器重定位到 App 的起始 Flash 地址（如 0x08008000）。否则中断触发后会跳转到 Bootloader 的向量表，导致 App 崩溃。
中断服务函数命名：启动文件中的弱定义（Weak）函数需要用户在 C 代码中重新实现同名强函数。例如在 STM32 中，外部中断 0 的服务函数必须命名为 EXTI0_IRQHandler，否则链接时使用空函数，中断触发后程序跑飞。

// 向量表重定位示例（基于 CMSIS）
#define APP_FLASH_BASE  0x08008000U
void app_vector_table_init(void) {
    SCB->VTOR = APP_FLASH_BASE;
    __DSB();
    __ISB();
}

2.3 中断优先级：抢占与子优先级的协同

Cortex-M 内核使用 NVIC（嵌套向量中断控制器）管理中断优先级。每个中断源可配置抢占优先级（Preempt Priority）和子优先级（Sub Priority），两者组合成一个 4 位或 8 位的优先级数值（具体位数由芯片厂商决定，如 STM32F4 使用 4 位）。

优先级仲裁规则如下：

抢占优先级决定是否可以打断当前正在执行的中断。数值越小，优先级越高。高抢占优先级的中断可以打断低抢占优先级的中断服务程序。
子优先级仅在抢占优先级相同时起作用，用于决定多个同时挂起的中断的执行顺序。子优先级不会触发嵌套。
如果两个中断的抢占优先级和子优先级都相同，则编号小的中断先执行（硬件决定）。

在 TinyML 系统中，合理的优先级分配策略至关重要：

中断源	抢占优先级	设计理由
系统节拍定时器 (SysTick)	0（最高）	操作系统心跳，必须准时
音频 DMA 传输完成	1	音频数据实时性高，丢数据会产生爆音
外部唤醒按键 (EXTI)	2	用户交互响应，允许被音频打断
UART 接收	3	调试日志，可容忍延迟

经验提醒：在裸机 TinyML 程序中，如果不需要操作系统，SysTick 优先级可以适当降低。但务必保证音频/传感器数据采集中断的优先级高于任何可能长时间占用 CPU 的中断（如 Flash 写入中断），否则会导致数据丢失。

2.4 中断嵌套与临界区保护

中断嵌套是指当一个中断服务程序正在执行时，另一个更高优先级的中断到来，CPU 暂停当前 ISR，转而去执行新的高优先级 ISR，处理完毕后再返回原 ISR 继续执行。Cortex-M 硬件自动保存和恢复现场（压栈 R0-R3、R12、LR、PC、xPSR），无需软件干预，但开发者仍需注意共享资源的保护。

临界区（Critical Section）是指访问共享资源（如全局变量、外设寄存器、DMA 缓冲区）的代码段，在这段代码执行期间必须禁止中断或禁止高优先级中断，以防止数据竞争。在 TinyML 中，典型的临界区场景包括：

主循环读取 ISR 中更新的数据就绪标志位。
多个中断源（如定时器中断和外部中断）同时修改同一个传感器数据缓冲区。
低功耗模式下，配置睡眠寄存器与使能唤醒中断之间的操作序列。

常用的临界区保护方法有两种：

关中断/开中断：使用 __disable_irq() 和 __enable_irq() 全局关闭中断。这种方法简单粗暴，但会阻塞所有中断，包括高优先级实时中断，应尽量缩短临界区执行时间。
BASEPRI 寄存器屏蔽：Cortex-M3/M4 支持设置 BASEPRI 来屏蔽低于某个优先级的中断，而允许更高优先级中断继续响应。这种方法更精细，适合需要保护共享数据但又不希望完全关闭实时中断的场景。

// 使用 BASEPRI 保护临界区（仅屏蔽优先级 <= 3 的中断）
uint32_t basepri = __get_BASEPRI();
__set_BASEPRI(3 << 4);  // 屏蔽优先级数值大于等于 3 的中断
// 临界区代码：修改共享缓冲区指针
g_audio_buf_ready = true;
__set_BASEPRI(basepri);  // 恢复原优先级屏蔽状态

风险提示：在临界区内严禁调用阻塞型函数（如 HAL_Delay()、printf()），否则会导致中断长时间无法响应，轻则数据丢失，重则触发看门狗复位。如果临界区代码需要等待外设操作完成，应重新设计为“标志位 + 主循环轮询”模式。

2.5 实战案例：音频唤醒词检测中的中断边界划分

以一个典型的“关键词唤醒”TinyML 设备为例，硬件平台为 STM32L4 系列 MCU（Cortex-M4F，80MHz），板载数字麦克风（PDM 接口）和加速度计。系统要求：待机功耗低于 10µA，唤醒后 100ms 内完成“是/否”二分类推理。

初始方案与问题：工程师最初将所有处理都放在主循环中：主循环轮询 PDM 数据寄存器，读取音频数据，执行 MFCC 特征提取，运行神经网络推理。实测待机电流高达 2.3mA，且 CPU 占用率超过 90%，无法满足低功耗要求。

中断边界重新划分：

模块	中断/任务	优先级	处理内容
PDM 数据采集	DMA 传输完成中断	抢占 1	将 16ms 音频块从 DMA 缓冲区拷贝到双缓冲区的另一侧，置位 `audio_block_ready`
加速度计唤醒	EXTI 外部中断	抢占 2	清除中断标志，置位 `motion_detected`，唤醒 MCU 从 Stop 模式
特征提取 + 推理	主循环（后台任务）	—	检测到 `audio_block_ready` 后，执行 MFCC + CNN 推理，输出结果

关键实现细节：

DMA 使用双缓冲模式（Ping-Pong），当 DMA 正在填充缓冲区 A 时，CPU 处理缓冲区 B；DMA 传输完成中断只切换缓冲区指针并置标志位，耗时约 2µs。
主循环检测到 audio_block_ready 后，先进入临界区（BASEPRI 屏蔽优先级 ≤2 的中断）将标志位清零并交换缓冲区指针，然后退出临界区执行特征提取。这样即使加速度计中断在推理过程中到来，也能及时响应。
推理完成后，主循环调用 WFI（Wait For Interrupt）指令进入睡眠，直到下一个 DMA 完成中断或外部唤醒事件到来。

结果对比：优化后待机电流降至 6.8µA（满足 10µA 指标），唤醒响应时间 85ms（满足 100ms 要求），音频数据零丢失。CPU 有效利用率从 90% 降至 35%，剩余时间全部处于低功耗睡眠状态。

  复盘经验：中断边界的本质是“时间关键性”的划分。DMA 传输完成中断是时间关键（数据不取走就会被覆盖），必须立即处理；而神经网络推理不是时间关键（可以延迟几十毫秒），应放在后台。通过合理设置优先级和临界区，既保证了实时性，又实现了极低功耗。

2.6 常见误区与总结

在 TinyML 中断设计中，开发者常犯以下错误：

ISR 中执行浮点运算：Cortex-M4F 虽然带 FPU，但浮点运算的寄存器保存/恢复开销较大，且可能触发额外的延迟。建议在 ISR 中只做整数运算和指针操作。
忽视中断标志位清除：许多外设中断（如 EXTI、UART）在进入 ISR 后必须手动清除中断标志位，否则会反复触发中断，导致系统卡死。
临界区粒度过大：有些开发者为了保护一个 32 位变量，将整个函数体都放入关中断区域，导致中断延迟不可接受。应使用原子操作（如 __LDREXW/__STREXW）或 BASEPRI 精细屏蔽。
向量表未重定位：在带 Bootloader 的 OTA 升级方案中，App 启动后忘记设置 VTOR，导致所有中断跳转到错误地址，表现为“程序跑飞”或“中断无响应”。