【嵌入式】CPU轮询与中断

在嵌入式系统中，中断和轮询（Polling）是两种常见的方式，用于处理硬件事件或外部信号。它们之间的主要区别在于事件检测的方式和处理方式，下面将详细比较这两者的优缺点以及适用场景。

一、轮询与中断介绍

1. 轮询（Polling）

定义：

轮询是一种主动方式，指的是CPU按照固定的时间间隔定期检查外设或硬件设备的状态，来判断是否发生了事件或数据是否准备好。这通常是通过软件中的一个循环来完成的。

工作原理：

在轮询模式下，CPU不断检查外设状态，通常是通过读取硬件寄存器或者标志位。如果外设发生了预定的事件（比如接收到数据、传感器值超限等），CPU会执行相应的操作；否则，它会继续检查。

特点：

• 主动检查：CPU不断主动地查询外设状态。
• 简单实现：实现比较简单，不需要复杂的硬件支持或中断控制机制。
• 可预测性：可以确保系统在每个固定周期检查设备的状态。

优缺点：

• 优点：

  • 实现简单，编程容易，特别是在没有中断硬件支持的简单嵌入式系统中。
  • 程序控制完全在开发者手中，不会受到外部中断的干扰。
  • 比较容易调试，排查问题时可以通过单步执行来查看状态。

• 缺点：

  • 效率低：CPU不断进行状态检查，浪费大量处理时间和计算资源，特别是外设事件稀少时。
  • 响应时间较慢：如果检查间隔过长，外设事件发生后可能需要等待一段时间才能被处理。
  • 对实时性要求较高的应用不适合：在需要高实时性的场景中，轮询可能不能及时响应外设事件，导致系统性能下降。
  • 不适合低功耗场景：持续检查状态会导致CPU频繁活跃，浪费功耗。

适用场景：

• 低频次的外设事件：如定期读取传感器数据，或者外设事件不频繁。
• 简单的硬件和系统：如一些没有中断支持的嵌入式系统。
• 功耗不敏感的应用：如一些非低功耗设备中。

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2. 中断（Interrupt）

定义：

中断是一种被动方式，指的是外设或硬件事件通过中断信号打断当前程序的执行，通知CPU某些事件需要处理。中断处理程序会在事件发生时被触发，然后执行相应的任务。

工作原理：

在中断模式下，CPU正常运行时会执行主程序。当外设产生中断信号时，CPU会暂停当前任务，保存当前的执行上下文，转而执行一个预先定义的中断服务程序（ISR, Interrupt Service Routine）。ISR完成后，CPU恢复之前的执行。

特点：

• 事件驱动：外设通过中断通知CPU事件的发生，CPU不需要主动去查询。
• 实时性强：中断能够立刻响应外设事件，提供较高的实时性。
• 更高效：避免了不必要的轮询，提高了系统的总体效率。

优缺点：

• 优点：

  • 高效：CPU不需要一直检查外设状态，因此可以节省大量的计算资源，CPU可以在中断发生时才处理事件，避免了资源浪费。
  • 实时性好：中断提供了更快的响应时间，适合需要快速响应的场景。
  • 低功耗：当没有外设事件时，CPU可以处于空闲状态，降低功耗。

• 缺点：

  • 复杂性高：中断机制的配置、管理、调试等相对复杂，需要更精细的控制，可能会遇到优先级、嵌套中断等问题。
  • 调试困难：中断程序通常是异步的，可能导致不易重现的错误，调试中断代码时较为复杂。
  • 可能会造成中断风暴：如果外设不断触发中断，可能会使中断服务程序过于频繁执行，影响主程序的执行，甚至导致系统不稳定。

适用场景：

• 高频次的外设事件：如需要处理外部信号、传感器数据，或者高频数据采集等场景。
• 实时要求较高的应用：如需要快速响应硬件事件的系统（例如键盘输入、数据传输中断、外部信号触发等）。
• 低功耗应用：在外设事件较少时，CPU可以保持低功耗状态，只有事件发生时才激活。

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3. 轮询与中断对比

特点	轮询（Polling）	中断（Interrupt）
实时性	较差，依赖于轮询间隔，不能及时响应事件	优秀，事件发生时立即响应
CPU资源利用率	低效，浪费CPU时间进行轮询	高效，只有在事件发生时才执行中断服务程序
实现复杂度	简单，容易实现，代码易于理解和调试	较复杂，需要配置中断控制器和中断服务程序
适用场景	外设事件不频繁，系统负载较低	外设事件频繁或实时性要求较高的场景
功耗	较高，CPU始终处于活跃状态，消耗更多电力	较低，只有事件发生时CPU才唤醒处理
优缺点	实现简单，适用于低频事件；但是不适用于高实时性、低功耗的场景	高效、实时性强，适合处理高频事件和低功耗需求，但编程较为复杂

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4. 综合考虑

• 简单应用：如果系统硬件资源有限，且外设事件发生不频繁，使用轮询可能更简单直接，尤其是在没有中断硬件支持时。
• 复杂或实时要求较高的应用：如果系统需要高实时性响应，或者外设事件频繁且要求快速响应，中断机制会是更合适的选择。
• 低功耗应用：中断机制通常会更有利于降低功耗，CPU可以在没有事件发生时进入低功耗状态，只有在有中断时才激活。

总结：

• 轮询适合简单、低频事件、易于实现且对实时性要求不高的系统。
• 中断适合实时性要求高、事件频繁或者需要较高效率和低功耗的系统。

在嵌入式开发中，选择使用轮询还是中断，往往取决于具体的应用需求、硬件平台的能力和系统的实时性要求。

二、轮询与中断实现

实现 轮询（Polling）和 中断（Interrupt）在嵌入式系统中是常见的两种处理外设或硬件事件的方式。以下是如何在嵌入式系统中实现这两种方式的详细步骤：

1. 轮询（Polling）实现

1.1 基本思路

轮询是指程序周期性地检查硬件状态，判断是否有事件发生。如果有事件发生，程序会处理这些事件。如果没有事件发生，程序继续循环检查，直到事件出现。

1.2 实现步骤

1. 外设初始化：

   • 配置外设，如输入输出端口、定时器或传感器等。
   • 设置相应的寄存器或标志位，用于查询硬件状态。

2. 主循环（Main Loop）：

   • 在主程序循环中，定期检查外设的状态。
   • 比如，如果你想读取一个外部传感器的数据，就定期检查传感器是否已经准备好数据。

3. 事件检查：

   • 在每次循环时，检查硬件的状态寄存器或标志位。根据硬件的状态决定是否进行下一步的处理。

4. 事件处理：

   • 如果事件发生（比如数据准备好），则读取数据或进行相应的操作。
   • 否则，继续进行下一轮轮询。

1.3 示例代码（伪代码）

// 假设有一个外部传感器设备，它通过一个状态寄存器标志位指示是否有新数据。
#define SENSOR_READY_FLAG 0x01  // 外设的就绪标志

// 初始化传感器
void sensor_init() {
    // 初始化硬件接口，如I/O口、控制寄存器等
}

// 读取传感器数据
int read_sensor_data() {
    // 从传感器读取数据
    return sensor_data;
}

// 轮询主函数
void main() {
    sensor_init();  // 初始化传感器
    
    while (1) {  // 主循环
        if (SENSOR_READY_FLAG) {  // 检查传感器是否准备好数据
            int data = read_sensor_data();  // 读取数据
            process_data(data);  // 处理数据
        }
        
        // 其他任务
    }
}

1.4 注意事项

• 轮询的频率会影响系统性能，如果检查外设状态的频率过高，会浪费大量的CPU资源；如果频率过低，可能无法及时响应事件。
• 在需要实时响应的情况下，轮询可能不是最佳选择。

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2. 中断（Interrupt）实现

2.1 基本思路

中断是一种被动机制，外设事件发生时，会触发一个中断信号，打断当前执行的程序，让CPU转到一个专门的中断处理程序（Interrupt Service Routine，简称ISR）进行事件处理。事件处理完成后，CPU恢复到被中断的程序位置。

2.2 实现步骤

1. 外设初始化：

   • 配置外设并使能相应的中断源。例如，设置定时器、GPIO、USART等外设的中断。
   • 配置中断优先级（如果硬件支持），并使能中断控制器。

2. 中断服务程序（ISR）：

   • 编写专门的中断服务程序，当外设事件发生时，ISR会被触发并执行。ISR通常会读取硬件寄存器，处理相关事件。
   • 在ISR中，不建议执行长时间的任务，应该尽量保持中断处理程序简短，以便尽快返回主程序。

3. 主程序：

   • 主程序可以继续执行其他任务，中断会在需要时打断程序流。
   • 在中断处理程序中，事件已经处理完毕，因此主程序不需要进行额外的状态检查。

4. 中断优先级与嵌套：

   • 某些系统支持多个中断源和中断优先级。如果一个中断正在处理，其他更高优先级的中断可能会打断当前中断处理。

2.3 示例代码（伪代码）

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

// 初始化外设
void sensor_init() {
    // 假设使用GPIO外设的中断
    DDRB &= ~(1 << PB0);  // 配置PB0为输入
    PORTB |= (1 << PB0);   // 使能PB0的上拉电阻
    // 启用外部中断，假设使用INT0
    EIMSK |= (1 << INT0);  // 启用外部中断INT0
    EICRA |= (1 << ISC01); // 设置中断触发方式为下降沿
    sei();                 // 启用全局中断
}

// 中断服务程序
ISR(INT0_vect) {
    // 中断触发时的处理逻辑
    int data = read_sensor_data(); // 读取传感器数据
    process_data(data);  // 处理数据
}

// 主程序
int main() {
    sensor_init();  // 初始化传感器和中断
    
    while (1) {
        // 主程序中的其他任务，CPU可以在此处执行其他操作
    }
}

2.4 注意事项

• ISR简短：中断服务程序尽量保持简短，避免执行复杂的任务或长时间阻塞。通常会设置标志位，或者将事件数据存储到缓冲区，然后在主程序中处理。
• 中断嵌套：有些系统支持中断嵌套，也就是说，在处理中断的过程中，如果发生了一个优先级更高的中断，可以暂停当前的ISR并转去处理高优先级的中断。需要注意管理中断优先级。
• 全局中断使能：在一些微控制器中，需要显式地启用全局中断（如sei()函数），才能允许中断发生。

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3. 轮询与中断的选择

• 轮询适合外设事件不频繁，或者对实时性要求不高的场景。简单易懂，容易调试。
• 中断适合高频事件或需要快速响应的系统，尤其是当外设事件发生的频率较高时，轮询可能会浪费CPU资源，而中断能够有效提升系统的响应性和效率。

一般来说，在资源较为丰富且对实时性要求较高的系统中，建议使用中断。而在简单、低功耗、对实时性要求不高的应用中，轮询则更为合适。