單片機中提高作業效率的「中斷功能」解讀

2021-01-19 電子發燒友
單片機中提高作業效率的「中斷功能」解讀

麵包板社區 發表於 2021-01-15 14:52:04

我們已經介紹了應用單片機的外設功能的結構和使用方法。本期我們介紹更有效地應用單片機而必須的外設功能——「中斷功能」。

提高作業效率的「中斷功能」指的是什麼？

我們回顧一下本系列第二期的「定時器」篇中簡單介紹過的「中斷功能」概念。任何人都有過這樣的經驗，就是「將雞蛋放進沸騰的熱水中，直到雞蛋煮熟的10分鐘內要確認好幾次時鐘」的經歷。在單片機的世界中也同樣，在等待某種狀態達成時，具有對對象進行定期檢查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O埠）的輸入從0變為1時，程序可以一定的間隔來檢查GPIO的狀態。這種處理被稱為「輪詢」。

輪詢雖然是一種了解狀態變化的簡單方法，但是如果檢查的頻度低（間隔長）就會錯過變化，如果頻度過高（間隔短），即使查也查不到變化「空耗」。由於輪詢通過簡單的程序便能完成處理，所以在掌握對象的變化頻度時是有效的。但是，進行多次檢查也會給單片機帶來負荷，對功耗不利。

因此就要用到本期介紹的「中斷功能」。產生中斷時，CPU會暫時停止正在執行的任務，轉而進行別的任務。也就是有別的任務「穿插」進來的意思（圖1） 。當中途穿插進來的任務結束後，CPU再返回處理原來的任務。

圖１：中斷與輪詢

設想一下你在工作的同時煮雞蛋的情況。 由於你不想停下手中的工作，所以把雞蛋放入熱水中後就設置定時器並繼續工作，10分鐘後定時器一響就把雞蛋從熱水中撈起。這時，定時器的鳴叫就是中斷 ，而「把雞蛋從熱水中撈起」就是穿插進來的工作。大家可以通過這種方式來了解中斷功能。

單片機中的中斷處理

中斷產生於單片機內部和外部的各種設備。於開關和感應器等單片機外部的中斷稱為外部引腳中斷，來自這些機器的中斷信號由名為「IRQ」的引腳接收，再向中斷控制器（在RX63N中稱被稱為「ICUb」）發出通知。IRQ為「Interrupt ReQuest」的略稱，意思為「中斷請求」。另外，來自單 片機內部的定時器和GPIO、串行通信設備UART等外設機器的中斷被稱為外部設備中斷，中斷信號直接從各外部設備通知中斷控制器。

在中斷控制器中，各種設備的中斷信號按照先來後到的順序，以適當的順序被傳送到CPU。而且，中斷被設為無效的設備的中斷信號將不會被傳送到CPU，也就意味著可以忽視（屏蔽）這些信號。CPU按照從中斷控制器接收到的指示來執行對應的程序（中斷處理）。

CPU一旦接收到中斷控制器的中斷信號，首先將終止執行中的程序。然而，會自動保存「從何處重啟」的出棧（POP）信息，這被稱為「進棧（PUSH）」。進棧結束後，將開始由中斷執行的程序。該程序結束時，進棧信息將回 送到CPU，這種現象被稱為「出棧」（圖2）。由於進棧和出棧都由CPU自動執行，因此程序設計者不必因順序問題而費心。

圖２：中斷處理流程

例如，通過UART執行串行通信時，經常監視字節是否被接收了而導致效率不佳。所以，多數情況下都對程序進行如下編程，即在信息送達 時就會產生中斷並進行適當的處理，另外，使定時器產生中斷的情況也不在少數。進行「經過了一定時間後該做什麼」這類處理時，應進行如下編程，即通過來自定時器的信號開始進行處理。如上所述，在有效利用單片機方面，中斷功能發揮了很大的作用。

還可使用資料庫嘗試編寫複雜的中斷程序！

為了編寫與中斷相關的程序，就需要了解單片機的運行。由於需要深入了解，所以不能僅是進行簡單的嘗試。幸好還有本系列中介紹過的GR-SAKURA資料庫，可在GR-SAKURA資料庫中進行與外部引腳中斷相關的處理，所以請嘗試使用GR-SAKURA資料庫來進行編程。

為了向GR-SAKURA提供外部引腳中斷，還需要做些工作。在GR-SAKURA中，從IO30引腳到IO35引腳接收來自外部的中斷信號。這次是將定時器輸出引導到IO0引腳，再將它傳送到IO31引腳作為中斷信號。因此，要從IO30引腳到GND的部分設置引腳接口，由底板用的電線將IO0和IO31連接起來（圖3）。

圖３：GR-SAKURA的準備（引腳設置）

在示例程序（圖4）中預先準備了如下功能，即當GR- SAKURA的外部中斷信號引腳（從IO30到IO35中的一個）的輸入從L電平變為H電平時，LED燈將啟動。而且是在檢測到相當於上述所說明的「外部引腳中斷」的中斷信號後才會變化。從IO0引腳進行定時器輸出，並將之與中斷輸入引腳即IO31引腳連接，通過這樣的方式便可以與一定的時間間隔發生中斷。

※即使 已對該程序進行了彙編，在沒有將上述的IO0和IO31引腳進行連接的GR-SAKURA中也無法運行。

以上為圖4的程序

※圖4程序結束

※圖4：用於外部引腳中斷的示例程序

在此資料庫中，可對分別與前述中斷信號輸入引腳對應的處理。本次所示的是根據向IO31引腳輸入的變化（從L電平變為H電平）來產生中斷的情況。第48行的attachInterrupt（）定義了在某個輸入引腳出現某種變化時該調用什麼函數。因此，設定為根據輸入IO31引腳的中斷信號來啟動irq3（）。這樣的設定只需在setup（）中定義一次便能在整個程序中有效。除此以外，在setup（）中還記述了定時器的定義、定時器輸出引腳的設定、LED輸出的設定等初始條件。

沒有通過loop（）函數進行的處理。取而代之的是由irq3（）這個函數進行處理。從這個函數來看是看不出它是從程序中調用的。但是，正是由於這個函數，才能使中斷信號進入IO31引腳時使LED的光發生變化。在函數irq3（）中，四盞LED中只有一盞亮燈，這個函數一旦被調用，亮燈的LED就發生一次變化。為了讓人看得到這個「變化」，在case標籤的部分，通過來自GPIO的輸出來滅燈且使旁邊的LED亮燈（邊緣的LED燈亮燈時，相反側的邊緣的LED亮燈或滅燈）。

為了應對不知何時會發生的意外，中斷就是非常有效的應對方法。而且，中斷還可以減少程序的不必要運行，從而可降低功耗。也可以說，為了真正有效地利用單片機，這是一項不可缺少的技術。
編輯：hfy

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