單片機(jī)中提高作業(yè)效率的“中斷功能”解讀

我們已經(jīng)介紹了應(yīng)用單片機(jī)的外設(shè)功能的結(jié)構(gòu)和使用方法。本期我們介紹更有效地應(yīng)用單片機(jī)而必須的外設(shè)功能——“中斷功能”。

提高作業(yè)效率的“中斷功能”指的是什么？

我們回顧一下本系列第二期的“定時(shí)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(jīng)驗(yàn)，就是“將雞蛋放進(jìn)沸騰的熱水中，直到雞蛋煮熟的10分鐘內(nèi)要確認(rèn)好幾次時(shí)鐘”的經(jīng)歷。在單片機(jī)的世界中也同樣，在等待某種狀態(tài)達(dá)成時(shí)，具有對對象進(jìn)行定期檢查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O端口）的輸入從0變?yōu)?時(shí)，程序可以一定的間隔來檢查GPIO的狀態(tài)。這種處理被稱為“輪詢”。

輪詢雖然是一種了解狀態(tài)變化的簡單方法，但是如果檢查的頻度低（間隔長）就會(huì)錯(cuò)過變化，如果頻度過高（間隔短），即使查也查不到變化“空耗”。由于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(shí)是有效的。但是，進(jìn)行多次檢查也會(huì)給單片機(jī)帶來負(fù)荷，對功耗不利。

因此就要用到本期介紹的“中斷功能”。產(chǎn)生中斷時(shí)，CPU會(huì)暫時(shí)停止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行別的任務(wù)。也就是有別的任務(wù)“穿插”進(jìn)來的意思（圖1） 。當(dāng)中途穿插進(jìn)來的任務(wù)結(jié)束后，CPU再返回處理原來的任務(wù)。

圖１：中斷與輪詢

設(shè)想一下你在工作的同時(shí)煮雞蛋的情況。 由于你不想停下手中的工作，所以把雞蛋放入熱水中后就設(shè)置定時(shí)器并繼續(xù)工作，10分鐘后定時(shí)器一響就把雞蛋從熱水中撈起。這時(shí)，定時(shí)器的鳴叫就是中斷 ，而“把雞蛋從熱水中撈起”就是穿插進(jìn)來的工作。大家可以通過這種方式來了解中斷功能。

單片機(jī)中的中斷處理

中斷產(chǎn)生于單片機(jī)內(nèi)部和外部的各種設(shè)備。于開關(guān)和感應(yīng)器等單片機(jī)外部的中斷稱為外部引腳中斷，來自這些機(jī)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(fā)出通知。IRQ為“Interrupt ReQuest”的略稱，意思為“中斷請求”。另外，來自單 片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和GPIO、串行通信設(shè)備UART等外設(shè)機(jī)器的中斷被稱為外部設(shè)備中斷，中斷信號直接從各外部設(shè)備通知中斷控制器。

在中斷控制器中，各種設(shè)備的中斷信號按照先來后到的順序，以適當(dāng)?shù)捻樞虮粋魉偷紺PU。而且，中斷被設(shè)為無效的設(shè)備的中斷信號將不會(huì)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(zhí)行對應(yīng)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(zhí)行中的程序。然而，會(huì)自動(dòng)保存“從何處重啟”的出棧（POP）信息，這被稱為“進(jìn)棧（PUSH）”。進(jìn)棧結(jié)束后，將開始由中斷執(zhí)行的程序。該程序結(jié)束時(shí)，進(jìn)棧信息將回 送到CPU，這種現(xiàn)象被稱為“出?！保▓D2）。由于進(jìn)棧和出棧都由CPU自動(dòng)執(zhí)行，因此程序設(shè)計(jì)者不必因順序問題而費(fèi)心。

圖２：中斷處理流程

例如，通過UART執(zhí)行串行通信時(shí)，經(jīng)常監(jiān)視字節(jié)是否被接收了而導(dǎo)致效率不佳。所以，多數(shù)情況下都對程序進(jìn)行如下編程，即在信息送達(dá) 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，另外，使定時(shí)器產(chǎn)生中斷的情況也不在少數(shù)。進(jìn)行“經(jīng)過了一定時(shí)間后該做什么”這類處理時(shí)，應(yīng)進(jìn)行如下編程，即通過來自定時(shí)器的信號開始進(jìn)行處理。如上所述，在有效利用單片機(jī)方面，中斷功能發(fā)揮了很大的作用。

還可使用數(shù)據(jù)庫嘗試編寫復(fù)雜的中斷程序！

為了編寫與中斷相關(guān)的程序，就需要了解單片機(jī)的運(yùn)行。由于需要深入了解，所以不能僅是進(jìn)行簡單的嘗試。幸好還有本系列中介紹過的GR-SAKURA數(shù)據(jù)庫，可在GR-SAKURA數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行與外部引腳中斷相關(guān)的處理，所以請嘗試使用GR-SAKURA數(shù)據(jù)庫來進(jìn)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(shí)器輸出引導(dǎo)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(shè)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(zhǔn)備（引腳設(shè)置）

在示例程序（圖4）中預(yù)先準(zhǔn)備了如下功能，即當(dāng)GR- SAKURA的外部中斷信號引腳（從IO30到IO35中的一個(gè)）的輸入從L電平變?yōu)镠電平時(shí)，LED燈將啟動(dòng)。而且是在檢測到相當(dāng)于上述所說明的“外部引腳中斷”的中斷信號后才會(huì)變化。從IO0引腳進(jìn)行定時(shí)器輸出，并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(shí)間間隔發(fā)生中斷。

※即使 已對該程序進(jìn)行了匯編，在沒有將上述的IO0和IO31引腳進(jìn)行連接的GR-SAKURA中也無法運(yùn)行。

以上為圖4的程序

※圖4程序結(jié)束

※圖4：用于外部引腳中斷的示例程序

在此數(shù)據(jù)庫中，可對分別與前述中斷信號輸入引腳對應(yīng)的處理。本次所示的是根據(jù)向IO31引腳輸入的變化（從L電平變?yōu)镠電平）來產(chǎn)生中斷的情況。第48行的attachInterrupt（）定義了在某個(gè)輸入引腳出現(xiàn)某種變化時(shí)該調(diào)用什么函數(shù)。因此，設(shè)定為根據(jù)輸入IO31引腳的中斷信號來啟動(dòng)irq3（）。這樣的設(shè)定只需在setup（）中定義一次便能在整個(gè)程序中有效。除此以外，在setup（）中還記述了定時(shí)器的定義、定時(shí)器輸出引腳的設(shè)定、LED輸出的設(shè)定等初始條件。

沒有通過loop（）函數(shù)進(jìn)行的處理。取而代之的是由irq3（）這個(gè)函數(shù)進(jìn)行處理。從這個(gè)函數(shù)來看是看不出它是從程序中調(diào)用的。但是，正是由于這個(gè)函數(shù)，才能使中斷信號進(jìn)入IO31引腳時(shí)使LED的光發(fā)生變化。在函數(shù)irq3（）中，四盞LED中只有一盞亮燈，這個(gè)函數(shù)一旦被調(diào)用，亮燈的LED就發(fā)生一次變化。為了讓人看得到這個(gè)“變化”，在case標(biāo)簽的部分，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(shí)，相反側(cè)的邊緣的LED亮燈或滅燈）。

為了應(yīng)對不知何時(shí)會(huì)發(fā)生的意外，中斷就是非常有效的應(yīng)對方法。而且，中斷還可以減少程序的不必要運(yùn)行，從而可降低功耗。也可以說，為了真正有效地利用單片機(jī)，這是一項(xiàng)不可缺少的技術(shù)。
編輯：hfy