中斷功能

不了解这些就无法使用单片机!学习使用“外设功能”: 4 of 6

我们已经介绍了应用单片机的外设功能的结构和使用方法。本期我们介绍更有效地应用单片机而必须的外设功能——“中断功能”。

提高作业效率的“中断功能”指的是什么?

我们回顾一下本系列第二期的“定时器”篇中简单介绍过的“中断功能”概念。任何人都有过这样的经验,就是“将鸡蛋放进沸腾的热水中,直到鸡蛋煮熟的10分钟内要确认好几次时钟”的经历。在单片机的世界中也同样,在等待某种状态达成时,具有对对象进行定期检查的方法。例如,在等待向GPIO(通用I/O端口)的输入从0变为1时,程序可以一定的间隔来检查GPIO的状态。这种处理被称为“轮询”。

轮询虽然是一种了解状态变化的简单方法,但是如果检查的频度低(间隔长)就会错过变化,如果频度过高(间隔短),即使查也查不到变化“空耗”。由于轮询通过简单的程序便能完成处理,所以在掌握对象的变化频度时是有效的。但是,进行多次检查也会给单片机带来负荷,对功耗不利。

因此就要用到本期介绍的“中断功能”。产生中断时,CPU会暂时停止正在执行的任务,转而进行别的任务。也就是有别的任务“穿插”进来的意思(图1) 。当中途穿插进来的任务结束后,CPU再返回处理原来的任务。

图1:中断与轮询

图1:中断与轮询

设想一下你在工作的同时煮鸡蛋的情况。 由于你不想停下手中的工作,所以把鸡蛋放入热水中后就设置定时器并继续工作,10分钟后定时器一响就把鸡蛋从热水中捞起。这时,定时器的鸣叫就是中断 ,而“把鸡蛋从热水中捞起”就是穿插进来的工作。大家可以通过这种方式来了解中断功能。

单片机中的中断处理

中断产生于单片机内部和外部的各种设备。于开关和感应器等单片机外部的中断称为外部引脚中断,来自这些机器的中断信号由名为“IRQ”的引脚接收,再向中断控制器(在RX63N中称被称为“ICUb”)发出通知。IRQ为“Interrupt ReQuest”的略称,意思为“中断请求”。另外,来自单 片机内部的定时器和GPIO、串行通信设备UART等外设机器的中断被称为外部设备中断,中断信号直接从各外部设备通知中断控制器。

在中断控制器中,各种设备的中断信号按照先来后到的顺序,以适当的顺序被传送到CPU。而且,中断被设为无效的设备的中断信号将不会被传送到CPU,也就意味着可以忽视(屏蔽)这些信号。CPU按照从中断控制器接收到的指示来执行对应的程序(中断处理)。

CPU一旦接收到中断控制器的中断信号,首先将终止执行中的程序。然而,会自动保存“从何处重启”的出栈(POP)信息,这被称为“进栈(PUSH)”。进栈结束后,将开始由中断执行的程序。该程序结束时,进栈信息将回 送到CPU,这种现象被称为“出栈”(图2)。由于进栈和出栈都由CPU自动执行,因此程序设计者不必因顺序问题而费心。

图2:中断处理流程

图2:中断处理流程

例如,通过UART执行串行通信时,经常监视字节是否被接收了而导致效率不佳。所以,多数情况下都对程序进行如下编程,即在信息送达 时就会产生中断并进行适当的处理,另外,使定时器产生中断的情况也不在少数。进行“经过了一定时间后该做什么”这类处理时,应进行如下编程,即通过来自定时器的信号开始进行处理。如上所述,在有效利用单片机方面,中断功能发挥了很大的作用。

还可使用数据库尝试编写复杂的中断程序!

为了编写与中断相关的程序,就需要了解单片机的运行。由于需要深入了解,所以不能仅是进行简单的尝试。幸好还有本系列中介绍过的GR-SAKURA数据库,可在GR-SAKURA数据库中进行与外部引脚中断相关的处理,所以请尝试使用GR-SAKURA数据库来进行编程。

为了向GR-SAKURA提供外部引脚中断,还需要做些工作。在GR-SAKURA中,从IO30引脚到IO35引脚接收来自外部的中断信号。这次是将定时器输出引导到IO0引脚,再将它传送到IO31引脚作为中断信号。因此,要从IO30引脚到GND的部分设置引脚接口,由底板用的电线将IO0和IO31连接起来(图3)。

图3:GR-SAKURA的准备(引脚设置)

图3:GR-SAKURA的准备(引脚设置)

在示例程序(图4)中预先准备了如下功能,即当GR- SAKURA的外部中断信号引脚(从IO30到IO35中的一个)的输入从L电平变为H电平时,LED灯将启动。而且是在检测到相当于上述所说明的“外部引脚中断”的中断信号后才会变化。从IO0引脚进行定时器输出,并将之与中断输入引脚即IO31引脚连接,通过这样的方式便可以与一定的时间间隔发生中断。

※即使 已对该程序进行了汇编,在没有将上述的IO0和IO31引脚进行连接的GR-SAKURA中也无法运行。

 
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/*GR-SAKURA Sketch Template Version: V1.08*/
#include <rxduino.h>

#define INTERVAL 1

int i = 0;

void irq3()   /向IO31引脚输入中断时此函数启动,由 此可使LED灯按顺序亮灭
{
    switch( i) 
     {
        case 0:
            digitalWrite( PIN_LED3, 0);  //LED3 灭灯
            digitalWrite( PIN_LED0, 1);  //LED0 亮灯
            i++;
            break;
        case 1:
            digitalWrite( PIN_LED0, 0);  //LED0 灭灯
            digitalWrite( PIN_LED1, 1);  //LED1 亮灯
            i++;
            break;
        case 2:
            digitalWrite( PIN_LED1, 0);  //LED1 灭灯
            digitalWrite( PIN_LED2, 1);  //LED2 亮灯
            i++;
            break;
        case 3:
            digitalWrite( PIN_LED2, 0);  //LED2 灭灯
            digitalWrite( PIN_LED3, 1);  //LED3 亮灯
            i = 0;
            break;
    }

 
void setup()   //输出端引脚的设定、设定为LED的初期状态为灭灯,设定中断时的运行函数、设 定定时器的频率

{
    pinMode (PIN_LED0,OUTPUT);  //设定为从GPIO向LED0输出信号
    pinMode(PIN_LED1,OUTPUT);  //设定为从GPIO向LED1输出信号
    pinMode(PIN_LED2,OUTPUT);  //设定为从 GPIO向LED2输出信号
    pinMode(PIN_LED3,OUTPUT);  //设定为从GPIO向LED3输出信号
    pinMode(PIN_P21, OUTPUT);    //将定时器输出时使用的IO0引脚也设为用于输出

    digitalWrite( PIN_LED0, 0);   // LED0 灭灯
    digitalWrite( PIN_LED1, 0);   // LED1 灭灯
    digitalWrite( PIN_LED2, 0);   // LED2 灭灯
    digitalWrite( PIN_LED3, 0);   // LED3 灭灯

    attachInterrupt(3, irq3, RISING); //将 IO31(IRQ3)在接收中断时调用的函数设为irq3()

    tone(PIN_P21, INTERVAL, 0);  //从IO0以INTERVAL中设定的频率输出


void loop()   // loop()中不存在需要进行的处理
{
}
 

以下为图4的程序

※图4程序结束

※图4:用于外部引脚中断的示例程序

在此数据库中,可对分别与前述中断信号输入引脚对应的处理。本次所示的是根据向IO31引脚输入的变化(从L电平变为H电平)来产生中断的情况。第48行的attachInterrupt()定义了在某个输入引脚出现某种变化时该调用什么函数。因此,设定为根据输入IO31引脚的中断信号来启动irq3()。这样的设定只需在setup()中定义一次便能在整个程序中有效。除此以外,在setup()中还记述了定时器的定义、定时器输出引脚的设定、LED输出的设定等初始条件。

没有通过loop()函数进行的处理。取而代之的是由irq3()这个函数进行处理。从这个函数来看是看不出它是从程序中调用的。但是,正是由于这个函数,才能使中断信号进入IO31引脚时使LED的光发生变化。在函数irq3()中,四盏LED中只有一盏亮灯,这个函数一旦被调用,亮灯的LED就发生一次变化。为了让人看得到这个“变化”,在case标签的部分,通过来自GPIO的输出来灭灯且使旁边的LED亮灯(边缘的LED灯亮灯时,相反侧的边缘的LED亮灯或灭灯)。

为了应对不知何时会发生的意外,中断就是非常有效的应对方法。而且,中断还可以减少程序的不必要运行,从而可降低功耗。也可以说,为了真正有效地利用单片机,这是一项不可缺少的技术。

从下期开始我们将分两期以“程序到底是如何发生变化的”为题,结合硬件条件来介绍程序运行。大家在之前的编程例及硬件介绍中的疑问也将一一得到解答。

不了解这些就无法使用单片机!学习使用“外设功能”

  1. GPIO
  2. 定时器
  3. 串行通信
  4. 中断功能
  5. 程序设计(上)
  6. 程序设计(下)