AVR裸中断

在单片机中，中断（ISR）是一种在主程序执行之间执行的小程序。当中断请求时，硬件将会停止当前程序，记录当前进程的信息（储存于栈中），并将控制权转交给中断程序。当中断程序执行到末尾，将使用RETI指令将控制权返还给之前的程序。

当前程序并不知道中断的存在，亦不期望中断对当前程序所使用的寄存器内数据进行任何修改，除非是特地被标记为volatile的数据。因此，大部分的程序二进制接口（ABI）都规定中断需要还原其所污染的寄存器内的数据。对于诸如68HC11这类单片机来说，硬件将会在中断执行前自动保存数据。但是在AVR上面，情况就不同了。AVR的硬件只会自动保存当前程序指针（PC），其他可能会被修改的寄存器则需要被手动保存，包括：

• 通用寄存器R0-R31，如果将会被修改的话。
• 状态寄存器SREG。
• 栈指针，如果有任何入栈出栈操作。

GNU AVR C编译器将会生成一个固定的ISR进入与结束代码段。

下面是一个空白的ISR的C语言代码，内部没有任何操作：/p>

ISR (TIMER0_COMPA_vect) {

}
	

GNU AVR C编译器将生成如下二进制机器码，即使我们已经打开了O2或O3级别的优化：

00000276 <__vector_14>:
	276:	1f 92       	push	r1
	278:	0f 92       	push	r0
	27a:	0f b6       	in	r0, 0x3f	; 63
	27c:	0f 92       	push	r0
	27e:	11 24       	eor	r1, r1
	280:	0f 90       	pop	r0
	282:	0f be       	out	0x3f, r0	; 63
	284:	0f 90       	pop	r0
	286:	1f 90       	pop	r1
	288:	18 95       	reti
	

下面是在这一段机器码所执行的操作：

1. 保存R0与R1.R0将被作为临时寄存器储存一些运算中间数据，R1将被作为0寄存器（主要用于与数字0有关的运算）。
2. 保存SREG：将其复制到一个通用寄存器后并入栈该通用寄存器。该寄存器包含了当前CPU的信息并将随着任何的数据计算被修改，例如EOR与ADD指令。
3. 清楚R1使其成为0寄存器。
4. 执行实际的中断程序。
5. 还原SREG、R0与R1中的数据。
6. 执行RETI指令来结束中断。

如果中断还使用了其他寄存器，那么编译器也会将他们入栈保存。

我们也可以通过添加ISR_NAKED来防止GNU AVR C编译器生成这一段固定的ISR进入与结束代码段。

在大部分情况下，我们都不应该玩这个使用ISR_NAKED的骚操作，因为自动生成的代码虽然繁复但是一定能正常工作。但是，有时我们也想要这样的骚操作，像是性能不足，或者单纯手痒。

下面这个例子展现了一个在计时器匹配中断中重置一个值的C语言代码：

volatile uint8_t value;
ISR (TIMER0_COMPA_vect) {
	value = 20;
}
	

如果我们直接编译这段C语言代码（打开O2或O3优化），我们将得到如下机器码：

00000276 <__vector_14>:
	276:	1f 92       	push	r1
	278:	0f 92       	push	r0
	27a:	0f b6       	in	r0, 0x3f	; 63
	27c:	0f 92       	push	r0
	27e:	11 24       	eor	r1, r1
	280:	8f 93       	push	r24
	282:	84 e1       	ldi	r24, 0x14	; 20
	284:	80 93 a0 01 	sts	0x01A0, r24	; 0x8001a0 
	288:	8f 91       	pop	r24
	28a:	0f 90       	pop	r0
	28c:	0f be       	out	0x3f, r0	; 63
	28e:	0f 90       	pop	r0
	290:	1f 90       	pop	r1
	292:	18 95       	reti
	

这个ISR将会有14行指令，一共消耗15个word的程序空间。这个程序在功能性上没有问题，但是我们（出于强迫症）并不满意它的性能与效率。

• 编译器保存了临时寄存器R0，但是并没有使用。
• 编译器保存并清空了0寄存器R1，但是并没有使用。
• 为了清空R1所执行的EOR R1, R1导致了SREG被污染，所以也要入栈。

因为我们只是单纯的将一个常数写进变量value，我们可以使用如下汇编来提高性能：

volatile uint8_t value;
ISR (TIMER0_COMPA_vect, ISR_NAKED) {
	asm volatile (
		"	PUSH	R16 \n"
		"	LDI	R16, 20 \n"
		"	STS	%[var], %[dat] \n"
		"	POP	R16 \n"
		"	RETI	\n"
		:
		: [var] "m"(value)
		, [dat] "I"(20)
	);
}
	

让我们再编译一次：

00000276 <__vector_14>:
	276:	0f 93       	push	r16
	278:	04 e1       	ldi	r16, 0x14	; 20
	27a:	40 93 a0 01 	sts	0x01A0, r20	; 0x8001a0 
	27e:	0f 91       	pop	r16
	280:	18 95       	reti
	

翻译一下就是：

1. 我们保存了一个高位寄存器来装这个常数。在AVR中只有R16到R31的高位寄存器可以被赋值常数。
2. 我们载入常数后并为内存中的那个变量赋值。
3. 我们恢复这个寄存器并结束中断。

在这个裸中断中，我们只是用了5个指令，消耗了6个word的程序空间。四舍五入赚了一个亿（性能提高了超过一倍）。

笼统来说，别碰！这点性能没必要，除非迫不得已。

下面是我个人的想法，仅作参考：

为了性能，我会使用裸中断，但是裸方程还是算了。

因为中断需要做到小而快，所以使用汇编写一些裸中断是有意义的。而对于在主程序中执行的方程，执行时间与代码长度的要求并不高，所以没太大意义。

其次，终端的ABI相对简单：什么被污染，什么就该被保存。而对于方程的接口，我们需要参考ABI考虑哪些寄存器可以被使用，哪些寄存器必须要还原，哪些寄存器又将被用于传递数据，寄存器装不下的数据如何在栈中保存，等等。并且不同编译器也会对方程制定不同的ABI。这太复杂了，写多了会脱发。

在单片机发展的早期，储存程序的硬件贵，且单片机并没有太多通用寄存器时，开发者需要面临极其有限的程序空间。

为了节约程序空间，硬件将会在中断前自动将所有数据入栈保存。这就避免了使用宝贵的程序空间来写将这些寄存器入栈的代码，但缺点是，硬件也需要一定时间来入栈这些数据，导致中断的响应变慢。例如，在中断前，68HC11将消耗约十个时钟周期来入栈累加器（2字节），两个指针寄存器（各2字节），栈指针（2字节）与状态寄存器（1字节）。在中断结束时，这个操作还会被以相反顺序执行一遍。

我们可以看到，有9个字节将被入栈。如果手动执行的话，还好机器自动执行了，不然这将是不少的代码。但是代价也是存在的：消耗时间，并且不管我们实际是否需要，硬件都将消耗时间将这些数据入栈。为了提高响应速度，68HC11有一个特殊指令来在等待ISR事件时提前入栈这些数据。

时过境迁，现在的工艺能够相对便宜地生产大量储存空间。而且，现代的RISC单片机的通用寄存器变得比以前更多了（例如CISC的68HC11只有2个8-bit累加器，但RISC的AVR有32个8-bit的通用寄存器）。显然，一股脑地入栈变得不太现实。

因为程序空间现在量大管饱，且寄存器的数量也变多了，单片机的设计理念也得到了变化。比起之前的硬件自动一股脑入栈，现在开发者将决定哪些寄存器将入栈，哪些又不需要入栈。这不仅能够提高中断的响应速度，也能够节约栈空间的浪费，尽管这将需要在中断中写更多的代码来手动入栈出栈。