面试题：C语言硬件抽象层设计中的中断处理与可移植性

Question

设计一个可移植的硬件抽象层（HAL）框架，要求支持不同微控制器的中断处理。阐述如何在C语言中以一种可移植的方式注册中断服务函数、使能和禁用中断，并且考虑到不同硬件平台的中断向量表结构差异。请提供关键的代码示例和详细的设计方案，说明如何确保该框架在多种硬件平台上的兼容性和高效性。

Answer 1

设计方案

1. 定义通用接口：为注册中断服务函数、使能和禁用中断定义通用的API，这些API在不同硬件平台上保持一致的调用方式。
2. 抽象中断向量表：由于不同硬件平台中断向量表结构不同，将中断向量表的管理抽象出来，通过宏定义或配置文件来映射不同平台的中断向量。
3. 条件编译：利用C语言的条件编译（#ifdef）根据不同硬件平台的特性进行针对性的代码编写。

关键代码示例

1. 通用中断处理函数类型定义

typedef void (*InterruptHandler)(void);

2. 通用中断注册函数

// 定义一个数组存储中断服务函数指针
InterruptHandler interruptHandlers[NUM_INTERRUPTS];

// 注册中断服务函数的通用函数
void registerInterruptHandler(int interruptNumber, InterruptHandler handler) {
    if (interruptNumber < NUM_INTERRUPTS) {
        interruptHandlers[interruptNumber] = handler;
    }
}

3. 使能和禁用中断的通用函数

// 使能中断的通用函数，通过条件编译适配不同平台
#ifdef PLATFORM_A
void enableInterrupt(int interruptNumber) {
    // 假设PLATFORM_A有专门的寄存器来使能中断
    volatile unsigned int *interruptEnableRegister = (volatile unsigned int *)0xXXXX;
    *interruptEnableRegister |= (1 << interruptNumber);
}
#endif

#ifdef PLATFORM_B
void enableInterrupt(int interruptNumber) {
    // 假设PLATFORM_B有不同的方式使能中断
    volatile unsigned int *interruptControlRegister = (volatile unsigned int *)0xYYYY;
    *interruptControlRegister |= (1 << interruptNumber);
}
#endif

// 禁用中断的通用函数，通过条件编译适配不同平台
#ifdef PLATFORM_A
void disableInterrupt(int interruptNumber) {
    volatile unsigned int *interruptEnableRegister = (volatile unsigned int *)0xXXXX;
    *interruptEnableRegister &= ~(1 << interruptNumber);
}
#endif

#ifdef PLATFORM_B
void disableInterrupt(int interruptNumber) {
    volatile unsigned int *interruptControlRegister = (volatile unsigned int *)0xYYYY;
    *interruptControlRegister &= ~(1 << interruptNumber);
}
#endif

4. 中断向量表映射（以宏定义为例）

// 在PLATFORM_A的头文件中
#ifdef PLATFORM_A
#define INTERRUPT_VECTOR_OFFSET 0x08000000
#define TIMER0_INTERRUPT_VECTOR (INTERRUPT_VECTOR_OFFSET + 0x10)
#endif

// 在PLATFORM_B的头文件中
#ifdef PLATFORM_B
#define INTERRUPT_VECTOR_OFFSET 0x10000000
#define TIMER0_INTERRUPT_VECTOR (INTERRUPT_VECTOR_OFFSET + 0x20)
#endif

5. 中断服务函数调用（在中断向量表相关代码中）

// 假设在PLATFORM_A的中断向量表实现中
void __attribute__((interrupt("IRQ"))) TIMER0_ISR(void) {
    if (interruptHandlers[TIMER0_INTERRUPT_NUMBER] != NULL) {
        interruptHandlers[TIMER0_INTERRUPT_NUMBER]();
    }
    // 清除中断标志等操作
}

// 假设在PLATFORM_B的中断向量表实现中
void __attribute__((interrupt("IRQ"))) TIMER0_ISR(void) {
    if (interruptHandlers[TIMER0_INTERRUPT_NUMBER] != NULL) {
        interruptHandlers[TIMER0_INTERRUPT_NUMBER]();
    }
    // 清除中断标志等操作
}

确保兼容性和高效性

1. 兼容性：通过条件编译，根据不同硬件平台的定义（如PLATFORM_A、PLATFORM_B），编译器会选择对应平台的代码进行编译，从而适配不同的硬件平台特性。同时，通用接口的定义保证了上层应用代码无需关心底层硬件平台差异。
2. 高效性：直接对硬件寄存器进行操作，减少不必要的函数调用开销。中断向量表的合理映射和管理，使得中断响应能够快速定位到对应的中断服务函数，提高中断处理效率。并且通过条件编译针对不同平台优化代码，避免了通用代码带来的额外开销。