【有那么點(diǎn)詳細(xì)的CW32學(xué)習(xí)筆記】通用異步收發(fā)器—中斷接收篇

上回說到單片機(jī)的Uart發(fā)送，我們編寫了一個(gè)發(fā)送函數(shù)循環(huán)發(fā)送固定的字符串，這回我們講Uart的中斷接收功能。

說一下中斷是什么 ，大概就是說，單片機(jī)只有一個(gè)核，就是只有一個(gè)大腦，他無法一核二用地做事，但有時(shí)候迫不得已需要去響應(yīng)一些緊急的命令，就好比你打游戲開團(tuán)了，你媽喊你去倒開水，倒開水就會(huì)觸發(fā)咱們?nèi)祟惖摹爸袛唷惫δ?。放在單片機(jī)上，進(jìn)行中斷操作需要以下幾個(gè)條件和步驟：擁有 中斷源 、 中斷控制器正常工作 、 觸發(fā)中斷 、 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 、 響應(yīng)中斷 、 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 。

看名字可能會(huì)比較抽象，我來具體解釋一下。

中斷源 ，單片機(jī)上會(huì)有很多的中斷源，也就是有很多辦法、或者說“渠道”去觸發(fā)中斷，Uart外設(shè)就有很多觸發(fā)中斷的辦法，而我們本文涉及到的就是接收信息會(huì)觸發(fā)的中斷，具體怎么觸發(fā)的，后文會(huì)詳細(xì)解釋。

中斷控制器 ，這個(gè)東西是一個(gè)物理存在于單片機(jī)內(nèi)核里面的一塊數(shù)字電路，這一塊電路的功能就是用來管理中斷的。對(duì)于一些老舊型號(hào)的單片機(jī)，比如C51單片機(jī)，他內(nèi)部也有這個(gè)東西，只不過其中斷優(yōu)先級(jí)是固定的，這個(gè)控制器只扮演了“總閘”這樣的角色。再看CW32這種32位單片機(jī)，使用cortex-M0+內(nèi)核， 擁有可編程的中斷控制器 ，單片機(jī)上會(huì)有很多個(gè)中斷源，但這是內(nèi)核可以使用和管理的部分，芯片制造廠使用這一款內(nèi)核制造單片機(jī)，并不會(huì)用到所有的中斷資源，不只是搭載的功能有限，還受限于封裝，很多中斷資源會(huì)被閑置。但是 只要使用芯片的中斷 ， 都必須正確配置內(nèi)核里面的中斷控制器 ， 否則中斷是無法工作的 ，因?yàn)椴徽搯纹瑱C(jī)外設(shè)設(shè)計(jì)的如何天花亂墜， 外設(shè)只負(fù)責(zé)觸發(fā)中斷 ， 而響應(yīng)中斷的一定是內(nèi)核 。

中斷的觸發(fā) ，前面提到了中斷源， 一個(gè)指定的中斷只能由特定的、與其綁定的中斷源觸發(fā)，一個(gè)中斷可能綁定多個(gè)中斷源 ， 但是只會(huì)有一個(gè)與中斷綁定的中斷服務(wù)函數(shù) ，至于什么是中斷服務(wù)函數(shù)，后文會(huì)解釋。那這個(gè)時(shí)候肯定會(huì)有讀者問了“那單片機(jī)如何在一個(gè)中斷里面區(qū)分不同的中斷源呢？”，單片機(jī)對(duì)不同的中斷源，都設(shè)計(jì)了中斷標(biāo)志位，假設(shè)有ABC三個(gè)中斷源，那他們就對(duì)應(yīng)了3個(gè)標(biāo)志位（3比特位），沒觸發(fā)中斷的時(shí)候，ABC的中斷標(biāo)志位就是默認(rèn)值0，如果觸發(fā)中斷， 電路硬件會(huì)對(duì)其對(duì)應(yīng)的標(biāo)志比特位進(jìn)行置位操作 ，也叫置1操作，該比特位會(huì)變成1。這個(gè) 置位行為會(huì)直接反饋到內(nèi)核的中斷控制器，隨后內(nèi)核會(huì)對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行響應(yīng) 。

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) ，看名字似乎和編程關(guān)系不大，這個(gè)名詞在教科書上的中斷章節(jié)會(huì)高頻出現(xiàn)。我們無法預(yù)測(cè)中斷會(huì)在什么時(shí)候到來，CPU也不能一直傻傻地等中斷到來，所以不需要響應(yīng)中斷的時(shí)候，CPU還是照常工作的。想象現(xiàn)在CPU正在執(zhí)行一個(gè)函數(shù)function()，倘若函數(shù)還未執(zhí)行完成，中斷被觸發(fā)，CPU應(yīng)該怎么做？是放下function函數(shù)不管不顧直接去響應(yīng)，抑或是先做點(diǎn)什么？顯而易見，后者更好更合理，需要做的，正是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，函數(shù)執(zhí)行到哪一步，CPU就會(huì)把執(zhí)行到這一步的CPU數(shù)據(jù)（不只是我們要看的數(shù)據(jù)，還包括了程序執(zhí)行的情況）存放到堆棧中，在中斷響應(yīng)完成之前，這些數(shù)據(jù)都會(huì)被封存，以避免響應(yīng)完成后數(shù)據(jù)的丟失。

響應(yīng)中斷 ，這個(gè)是大部分人最關(guān)心的部分，因?yàn)檫@個(gè)部分直接涉及到中斷服務(wù)函數(shù)的編寫。在一切準(zhǔn)備就緒后，CPU會(huì)放棄下一條需要執(zhí)行的語句并直接進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù) ，這里需要理解 “中斷服務(wù)函數(shù)”它仍然是個(gè)函數(shù) ，初學(xué)者可能會(huì)認(rèn)為，C語言的函數(shù)需要調(diào)用才會(huì)被執(zhí)行，這里沒被調(diào)用卻被執(zhí)行了，那肯定不是函數(shù)。實(shí)際上看過單片機(jī)原理或者了解過計(jì)算機(jī)原理的小伙伴會(huì)告訴你，CPU內(nèi)部會(huì)有一個(gè)程序指針，程序指針會(huì)按照代碼編譯之后的邏輯去依次指向需要被執(zhí)行的函數(shù)，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)的原理就是直接設(shè)置這個(gè)指針指向中斷服務(wù)函數(shù)，之后CPU就能執(zhí)行中斷代碼響應(yīng)中斷了。

恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) ，對(duì)應(yīng)于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，CPU必須在響應(yīng)中斷之后回到之前被中斷打斷的語句那里繼續(xù)執(zhí)行，取出原路堆棧中的數(shù)據(jù)就完成了恢復(fù)。

掌握中斷相關(guān)的知識(shí)后，我們就可以自己編寫和中斷相關(guān)的代碼了，編寫程序時(shí)，基本上只需要注意中斷標(biāo)志位、中斷服務(wù)函數(shù)、中斷控制器就可以，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)什么的單片機(jī)會(huì)自己完成。

在包含了必要的頭文件之后，在初始化函數(shù)中加入下圖的代碼即可完成對(duì)中斷控制器的設(shè)置：

第一行和第二行的函數(shù)均是對(duì)內(nèi)核里的中斷控制器進(jìn)行寄存器操作。

解釋一下第二行的設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，這里涉及到一個(gè)中斷嵌套的概念，中斷不會(huì)只有一個(gè)，并且很有可能下一個(gè)中斷觸發(fā)的時(shí)候，上一個(gè)中斷還沒有執(zhí)行完，此時(shí)就需要嚴(yán)格設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，在單片機(jī)中，根據(jù)內(nèi)核用戶手冊(cè)，優(yōu)先級(jí)從0開始遞增， 優(yōu)先級(jí)數(shù)字越低，其優(yōu)先級(jí)越高 ， 高優(yōu)先級(jí)中斷可以直接打斷低優(yōu)先級(jí)中斷的響應(yīng)，立刻響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)中斷 ，形成中斷嵌套，這里設(shè)置為1是因?yàn)檫@個(gè)回發(fā)功能不算很重要的功能，相比之下嘀嗒定時(shí)器會(huì)為單片機(jī)程序提供時(shí)基信號(hào)，其優(yōu)先級(jí)應(yīng)該更高。關(guān)于優(yōu)先級(jí)的具體解釋，可以進(jìn)行網(wǎng)上搜索或是查看《cortex-M0+內(nèi)核手冊(cè)》。

關(guān)于最后一行代碼，CW_UART1這個(gè)外設(shè)擁有很多個(gè)中斷源，這些中斷源的使用是獨(dú)立的，這里只使用了接收中斷這一個(gè)中斷源，芯片手冊(cè)的通用異步收發(fā)器章節(jié)展示了Uart中斷包含的中斷源。

當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)的Uart1接收緩沖區(qū)時(shí)，接收中斷會(huì)觸發(fā)，中斷標(biāo)志位置1，程序跳轉(zhuǎn)至Uart1的中斷服務(wù)函數(shù)。單片機(jī)幾乎所有的中斷服務(wù)函數(shù)都會(huì)由一個(gè)單獨(dú)的文件收錄，名為interrupt_xxxx.c或者xxxx_it.c。這里貼一張簡(jiǎn)易的中斷服務(wù)函數(shù)代碼，其功能是在盡量不破壞單片機(jī)實(shí)時(shí)性的情況下把數(shù)據(jù)放入一個(gè)既有的數(shù)組。

前文有提到，硬件會(huì)根據(jù)中斷標(biāo)志位決定是否進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，如果不在中斷服務(wù)函數(shù)中清除中斷標(biāo)志位，單片機(jī)就會(huì)反復(fù)進(jìn)入中斷，導(dǎo)致程序死在中斷里。

說一下代碼的思路，len是一個(gè)變量，是緩沖區(qū)內(nèi)非空數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；data_rx是一個(gè)字符數(shù)組，作為接收緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小為200；進(jìn)入中斷之后首先判斷緩沖區(qū)是否還有位置，也就是len是否超出緩沖區(qū)數(shù)組下標(biāo)上限，超出則判定為緩沖區(qū)已滿，丟掉后續(xù)所有的數(shù)據(jù)直到緩沖區(qū)有空位；變量 Rx_Flag是一個(gè)8位無符號(hào)數(shù)，作為緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)&緩沖區(qū)滿的標(biāo)志位使用；對(duì)于接收的所有數(shù)據(jù)，均會(huì)判斷是否是“rn”，這個(gè)字符串在編碼中是換行符，只要判斷到最近接收的兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是連續(xù)的0X0D和0X0A，就認(rèn)定接收到換行符，本次數(shù)據(jù)接收完畢，Rx_Flag置1表示完成一次完整的數(shù)據(jù)接收。

需要注意的是， 中斷的響應(yīng)并非一個(gè)非?？煽康暮瘮?shù)調(diào)用 ，一些編譯器會(huì)試圖優(yōu)化掉代碼對(duì)某些變量的修改操作（他們可能察覺不到中斷函數(shù)的存在而認(rèn)為變量不需要被修改），因此需要在中斷中修改的變量需要加上“volatile”關(guān)鍵字以防止對(duì)變量的操作被編譯器優(yōu)化。

到目前位置，數(shù)據(jù)其實(shí)已經(jīng)被保存在數(shù)組data_rx里面了，但這段數(shù)據(jù)我們從外部是看不到的，也看不到是否是我們?cè)O(shè)想的功能完成的接收，所以我編寫了如下函數(shù)，此函數(shù)可以在Uart1完成了一次完整的數(shù)據(jù)接收（Rx_Flag置1）后立刻回發(fā)接收的數(shù)據(jù)，并清空接收緩沖區(qū)，允許進(jìn)行下一次接收。

因?yàn)楹瘮?shù)包含發(fā)送功能，所以保留了超時(shí)跳出的保險(xiǎn)措施。這里解釋一下time_ms這個(gè)變量的作用，該變量定義在嘀嗒定時(shí)器文件中，并在嘀嗒定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)中遞增1，即每1ms該變量都會(huì)增加1，作為毫秒計(jì)數(shù)值使用，本系列教程大部分實(shí)時(shí)性較弱的功能都會(huì)依賴此功能進(jìn)行定時(shí)。如有疑問可以移步《內(nèi)核外設(shè)-嘀嗒定時(shí)器》章節(jié)學(xué)習(xí)。

在輪詢中加入這個(gè)回發(fā)函數(shù)，最大發(fā)送容忍時(shí)間100ms，并設(shè)置間隔1000ms發(fā)送一次“success”+“換行符”。隨后在串口助手中發(fā)送不超過200字節(jié)的文本數(shù)據(jù)，即可驗(yàn)證接收是否成功。

看來單片機(jī)順利接收了數(shù)據(jù)并進(jìn)行了回發(fā)操作，本節(jié)完。

總結(jié)：

1.注意理解中斷的概念；

2.同一個(gè)中斷可能會(huì)有多個(gè)中斷源；

3.中斷的執(zhí)行不可靠，中斷內(nèi)涉及到修改的變量需要加上volatile防止優(yōu)化；

4.串口的每一次發(fā)送攜帶很少的數(shù)據(jù)量，因此非常建議使用緩沖區(qū)來接收數(shù)據(jù)，待需要時(shí)再主動(dòng)讀?。?/p>

審核編輯 黃宇