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news 2025/8/26 22:11:58

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单片机主循环与中断资源访问冲突案例分析

在嵌入式系统中，主循环（Main Loop）和中断服务程序（ISR）共享资源时，如果处理不当，会引发竞态条件（Race Condition）或数据不一致问题。下面通过几个典型案例进行说明：

案例1：共享变量访问冲突

场景描述：

主循环：周期性读取传感器数据并计算平均值
定时器中断：每10ms更新一次传感器原始数据

冲突代码示例：

uint16_t sensorData;  // 共享资源// 主循环
void main(void) {uint32_t sum = 0;uint8_t count = 0;while(1) {sum += sensorData;  // ① 读取共享变量count++;if(count >= 100) {printf("Average: %lu\n", sum / count);sum = 0;count = 0;}}
}// 定时器中断服务程序
void TIMER_ISR(void) {sensorData = ReadSensor();  // ② 更新共享变量
}

冲突原因：

当主循环执行①行读取sensorData时，可能被②行的中断打断
若中断更新了sensorData，主循环可能读取到部分更新的数据
导致计算的平均值不准确

解决方案：

uint16_t sensorData;
bool dataUpdated = false;// 主循环
void main(void) {uint32_t sum = 0;uint8_t count = 0;while(1) {uint16_t localData;__disable_irq();           // 关中断if(dataUpdated) {localData = sensorData;dataUpdated = false;}__enable_irq();            // 开中断if(!dataUpdated) {sum += localData;count++;// ...}}
}// 定时器中断服务程序
void TIMER_ISR(void) {sensorData = ReadSensor();dataUpdated = true;
}

案例2：缓冲区访问冲突

场景描述：

主循环：处理串口接收缓冲区数据
串口中断：将接收到的字节存入缓冲区

冲突代码示例：

#define BUFFER_SIZE 16
uint8_t rxBuffer[BUFFER_SIZE];
uint8_t bufferHead = 0;
uint8_t bufferTail = 0;// 主循环
void main(void) {while(1) {if(bufferHead != bufferTail) {  // ① 检查缓冲区是否有数据uint8_t data = rxBuffer[bufferTail];  // ② 读取数据bufferTail = (bufferTail + 1) % BUFFER_SIZE;  // ③ 更新尾指针ProcessData(data);}}
}// 串口接收中断
void UART_RX_ISR(void) {uint8_t data = UART_Read();rxBuffer[bufferHead] = data;  // ④ 写入数据bufferHead = (bufferHead + 1) % BUFFER_SIZE;  // ⑤ 更新头指针
}

冲突原因：

当主循环执行①-③行操作时，可能被④-⑤行的中断打断
若中断更新了bufferHead，主循环可能误判缓冲区状态
导致数据丢失或缓冲区溢出

解决方案：

#define BUFFER_SIZE 16
uint8_t rxBuffer[BUFFER_SIZE];
uint8_t bufferHead = 0;
uint8_t bufferTail = 0;// 主循环
void main(void) {while(1) {uint8_t localHead;__disable_irq();localHead = bufferHead;__enable_irq();if(localHead != bufferTail) {uint8_t data = rxBuffer[bufferTail];__disable_irq();bufferTail = (bufferTail + 1) % BUFFER_SIZE;__enable_irq();ProcessData(data);}}
}// 串口接收中断
void UART_RX_ISR(void) {uint8_t data = UART_Read();uint8_t nextHead = (bufferHead + 1) % BUFFER_SIZE;if(nextHead != bufferTail) {  // 检查缓冲区是否已满rxBuffer[bufferHead] = data;bufferHead = nextHead;} else {HandleBufferOverflow();}
}

案例3：外设操作冲突

场景描述：

主循环：配置SPI接口并发送数据到Flash
定时器中断：周期性采集ADC数据并通过SPI发送到外部设备

冲突代码示例：

// 主循环
void main(void) {while(1) {SPI_Configure(SPI_MODE_FLASH);  // ① 配置SPI为Flash模式SPI_Write(flashData, FLASH_SIZE);  // ② 发送数据到Flash// ...}
}// 定时器中断
void TIMER_ISR(void) {uint16_t adcData = ADC_Read();SPI_Configure(SPI_MODE_SENSOR);  // ③ 配置SPI为传感器模式SPI_Write(&adcData, 2);  // ④ 发送ADC数据
}

冲突原因：

主循环执行①-②行时，可能被③-④行的中断打断
中断修改了SPI配置，导致主循环发送的数据格式错误
造成Flash写入失败或数据传输错误

解决方案：

bool spiBusy = false;// 主循环
void main(void) {while(1) {if(!spiBusy) {spiBusy = true;SPI_Configure(SPI_MODE_FLASH);SPI_Write(flashData, FLASH_SIZE);spiBusy = false;}}
}// 定时器中断
void TIMER_ISR(void) {if(!spiBusy) {uint16_t adcData = ADC_Read();spiBusy = true;SPI_Configure(SPI_MODE_SENSOR);SPI_Write(&adcData, 2);spiBusy = false;}
}