3. 中断机制基础：轮询与中断的对比、中断向量表、中断服务程序（ISR）、中断优先级与嵌套

在嵌入式系统中，CPU 需要及时响应外部或内部事件。处理这些事件主要有两种方式：轮询（Polling）和中断（Interrupt）。理解两者的区别以及中断的底层机制，是设计高效热插拔检测系统的前提。

3.1 轮询与中断的对比

轮询是 CPU 主动、周期性地检查事件标志位；中断是外设主动通知 CPU 事件发生。下表从多个维度对比两种机制：

下图展示了轮询与中断在 CPU 时间线上的本质区别：

3.2 中断向量表（IVT）

中断向量表是存储中断服务程序入口地址的表格。当 CPU 响应中断时，硬件自动根据中断号从向量表中取出对应的 ISR 地址并跳转执行。

在 ARM Cortex-M 系列 MCU 中，向量表通常位于存储器的起始地址（如 0x00000000），其结构如下：

下图展示了中断向量表的结构与跳转流程：

3.3 中断服务程序（ISR）

中断服务程序（ISR）是中断触发后 CPU 执行的特定函数。ISR 的设计直接影响系统的实时性和稳定性，必须遵循以下原则：

• 短小精悍：ISR 应尽快执行完毕，避免阻塞其他中断或任务。通常只做标志位设置、数据拷贝等轻量操作。
• 不可阻塞：ISR 中禁止使用延时、等待循环或可能引起阻塞的函数（如 printf、malloc）。
• 清除中断标志：退出 ISR 前必须清除中断挂起标志，否则会反复触发同一中断。
• 保护共享数据：如果 ISR 与主循环共享变量，需使用 volatile 关键字声明，必要时关中断保护。

以下是一个典型的热插拔检测 ISR 代码示例：

// GPIO 中断服务程序 - 热插拔检测
volatile uint8_t g_hotplug_flag = 0;  // 共享标志位，需 volatile

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    // 1. 检查中断源
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 2. 读取当前 GPIO 电平，判断是插入还是拔出
        uint8_t pin_state = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);
        if (pin_state == 1) {
            g_hotplug_flag = 1;  // 设备插入
        } else {
            g_hotplug_flag = 2;  // 设备拔出
        }

        // 3. 清除中断标志位
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

// 主循环中处理事件
int main(void) {
    while (1) {
        if (g_hotplug_flag == 1) {
            // 处理插入事件：启动 I2C 通信，读取设备信息
            I2C_StartCommunication();
            g_hotplug_flag = 0;
        } else if (g_hotplug_flag == 2) {
            // 处理拔出事件：更新系统状态
            UpdateDeviceList();
            g_hotplug_flag = 0;
        }
        // 其他任务...
    }
}

3.4 中断优先级与嵌套

现代 MCU 支持多级中断优先级，允许高优先级中断抢占低优先级中断的执行，形成中断嵌套。合理配置优先级是系统稳定运行的关键。

以 ARM Cortex-M4 为例，NVIC（嵌套向量中断控制器）支持最多 16 级抢占优先级（0~15，0 为最高）。优先级配置遵循以下规则：

• 抢占优先级：决定中断是否可以打断另一个中断的执行。数值越小，优先级越高。
• 子优先级：当两个中断的抢占优先级相同时，子优先级决定响应顺序，但不支持嵌套。
• 自然优先级：若抢占优先级和子优先级均相同，则中断号小的优先响应（硬件决定）。

下图展示了中断嵌套的执行流程：

3.5 本章小结

• 轮询 vs 中断：轮询简单但低效，中断高效但需合理配置。热插拔检测推荐使用 GPIO 中断。
• 中断向量表：存储 ISR 入口地址，CPU 根据中断号自动查表跳转。
• ISR 设计：短小、非阻塞、及时清除标志、保护共享数据。
• 优先级与嵌套：合理分配抢占优先级，确保关键事件（如热插拔）优先处理，避免低优先级中断阻塞系统。