2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第十一章 FreeRTOS中断管理

摘要

在前面的章节里，我们学习了 任务、队列、信号量、互斥量、事件组、软件定时器、内存管理 等内容。但在实际嵌入式系统中，中断（Interrupt） 是必不可少的机制。

中断通常用于：

• 外设事件响应（按键、串口接收、ADC 转换完成）
• 定时调度（系统 Tick）
• 快速信号处理（传感器触发）

在 FreeRTOS 中，中断与任务之间的交互需要特别注意。如果处理不当，可能会导致：

• 系统崩溃（错误使用 API）
• 优先级反转（ISR 与任务竞争资源）
• 中断延迟（ISR 过长）

因此，掌握 FreeRTOS 的中断管理机制，是成为高级嵌入式开发工程师的必修课。

---

一、中断与 FreeRTOS 的关系

FreeRTOS 是基于 抢占式调度 的 RTOS，调度的触发来源于 系统 Tick 中断（一般由 SysTick 或硬件定时器产生）。除此之外，外设中断同样需要与任务交互，例如：

• USART 接收完成 → 通知任务处理数据
• 按键中断 → 唤醒任务执行逻辑
• DMA 完成中断 → 向任务发送信号

---

二、中断优先级与 FreeRTOS

1. 中断优先级约束

在 FreeRTOS 中，可安全调用 FreeRTOS API 的中断优先级有限制。

• configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 定义了 可调用 FreeRTOS API 的最高中断优先级
• 优先级数值越小，实际优先级越高

例如：

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  5

表示 优先级 ≤ 5 的中断中，禁止调用 FreeRTOS API。

---

2. NVIC 优先级配置

STM32 中 NVIC 的优先级由 抢占优先级（Preempt Priority）+ 子优先级（Sub Priority） 组成。
在使用 FreeRTOS 时，通常只使用抢占优先级，子优先级无效。

HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 6, 0);

📌 这里设置为 6，表示该中断可以安全调用 FreeRTOS API（因为大于 5）。

---

三、中断中的 API 使用

1. ISR 可安全调用的 API

• xSemaphoreGiveFromISR()
• xQueueSendFromISR()
• xTaskNotifyFromISR()
• xEventGroupSetBitsFromISR()

这些函数都带有 FromISR 后缀，必须与 portYIELD_FROM_ISR() 或 portEND_SWITCHING_ISR() 搭配使用。

---

2. ISR 中禁止使用的 API

• vTaskDelay()
• xQueueReceive()
• xSemaphoreTake()

原因：这些函数可能导致阻塞，而 ISR 中绝不能阻塞。

---

四、任务与中断的同步方式

1. 使用二值信号量

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

void vTaskHandler(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        if(xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS)
        {
            printf("任务被中断唤醒\n");
        }
    }
}

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

---

2. 使用队列

QueueHandle_t xQueue;

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t data = USART1->DR;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xQueueSendFromISR(xQueue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

---

3. 使用任务通知

TaskHandle_t xTaskHandle;

void DMA_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xTaskNotifyFromISR(xTaskHandle, 1, eIncrement, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

---

五、中断管理工作机制

---

六、调试与优化

1. 避免 ISR 过长
   • ISR 仅做最少的工作（例如读取寄存器、发送信号）
   • 实际逻辑放到任务中执行
2. 检查中断优先级配置
   • 确保 NVIC 设置正确
   • configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 必须与实际应用匹配
3. 任务优先级合理分配
   • ISR 通知的任务应该有 较高优先级，避免事件延迟处理
4. 调试工具
   • uxTaskGetStackHighWaterMark() 检查任务栈
   • traceISR_ENTER/EXIT 宏可用于跟踪 ISR

---

七、常见问题与解决方法

问题	可能原因	解决方法
系统死机	ISR 调用错误的 API	使用 FromISR 版本
中断延迟过长	ISR 内部逻辑太多	将逻辑移到任务
任务未响应中断	优先级配置错误	检查 NVIC 配置
多任务竞争资源	ISR 和任务访问同一变量	使用互斥量或原子操作

---

八、经验总结

📌 开发建议

1. ISR 只做最小化工作，主要逻辑放在任务中
2. 所有任务与中断的交互都使用 信号量/队列/任务通知
3. 中断优先级配置必须严格遵守 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
4. 使用 FromISR API 并正确调用 portYIELD_FROM_ISR，确保任务及时切换

---

九、总结

通过本章学习，你已经掌握：

• FreeRTOS 中断优先级管理机制
• ISR 中可用和不可用的 API
• 任务与中断的同步方式（信号量、队列、任务通知）
• 调试与优化中断管理的方法

中断管理是 FreeRTOS 稳定运行的关键，理解其原理和限制，才能正确处理 ISR 与任务之间的交互。

---

🔗 FreeRTOS专栏👉 下一章：2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第十二章 FreeRTOS实战案例 ——我们将综合应用任务、队列、信号量、事件组，完成一个真实的嵌入式项目。

---