單片機必須了解的外設功能――定時(shí)器/中斷功能

在單片機中，不僅頻繁地使用“○月○日○點(diǎn)○分”這種時(shí)刻顯示，顯示過(guò)去的時(shí)間和一定的周期這種形式也被頻繁地使用。例如，“該程序從運行開(kāi)始過(guò)去了多少時(shí)間?”、“每秒輸送128次信號”等等。另外，還經(jīng)常被用于“等待指定的時(shí)間”、“經(jīng)過(guò)指定的時(shí)間后將轉移到下一個(gè)處理”這樣的情況。對這些與時(shí)間和時(shí)刻有關(guān)進(jìn)行處理的外設功能就是定時(shí)器(圖1)。

我們也可以不使用外設功能(硬件)的定時(shí)器，而是通過(guò)軟件來(lái)計算時(shí)間。下面通過(guò)圖2來(lái)說(shuō)明使用軟件來(lái)定時(shí)的示例，圖中假設循環(huán)(重復)部分的處理需要費時(shí)1μs(微秒：100萬(wàn)分之1秒)。由此可以計算出該循環(huán)部分重復1000次需要花費1ms(毫秒：千分之1秒)，重復100萬(wàn)次則需費時(shí)1秒。即：通過(guò)“等待經(jīng)過(guò)循環(huán)處理所指定的時(shí)間”來(lái)計算時(shí)間。但是，CPU將會(huì )集中進(jìn)行時(shí)間計算的處理而無(wú)法進(jìn)行其他處理。而且，只能計算一個(gè)周期的時(shí)間。而現實(shí)當中，單片機需要對應0.1秒和1/1024秒等各種周期的時(shí)間。

另外，CPU的計時(shí)器頻率(驅動(dòng)速度)也將對軟件產(chǎn)生影響。如果將100MHz驅動(dòng)的CPU改為50MHz，那么循環(huán)1次所需的時(shí)間將變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。因此，需要對計算時(shí)間的軟件進(jìn)行修正。如上所述，由于在管理上既花時(shí)間又容易出錯，所以要極力避免通過(guò)軟件來(lái)計算時(shí)間。

稍微介紹一下中斷的內容……

下面，我們簡(jiǎn)單介紹一下和定時(shí)器不可分割的技術(shù)——“中斷功能”。單片機中的“中斷功能”是指某個(gè)程序在執行過(guò)程中，因某種原因而發(fā)出“開(kāi)始進(jìn)行其他處理”的請求。由于可以使用中斷功能，所以可使CPU不集中進(jìn)行一個(gè)處理。

讓我們想象一下日常生活中用到“中斷功能”的情景，當我們把熱水倒入方便面盒中后，如果我們在3分鐘內一直盯著(zhù)時(shí)鐘看，那么這段時(shí)間內我們就不能做其它事情。但如果用廚房定時(shí)器設定3分鐘的時(shí)間，在廚房定時(shí)器的警報響起之前我們便可以去做其它事情。在這個(gè)例子中，“一直盯著(zhù)時(shí)鐘看”就相當于前一節中所介紹的“等待經(jīng)過(guò)循環(huán)處理所指定的時(shí)間”，所以在處理結束之前不能去做其它事情。同時(shí)，廚房定時(shí)器的警報就相當于中斷功能。在中斷發(fā)生前還可以去做其它事情。

單片機的外設功能中有各種各樣的定時(shí)器，這些定時(shí)器在經(jīng)過(guò)指定的時(shí)間或處理結束時(shí)向CPU發(fā)送中斷信號。不僅是定時(shí)器，很多外設功能都會(huì )在“產(chǎn)生變化”、“處理開(kāi)始/結束”時(shí)將中斷信息傳送給CPU。所以，CPU在中斷功能發(fā)生前還可以繼續做其它工作，因此可提高作業(yè)效率。關(guān)于中斷功能的詳細內容，將在本系列第4期的《外部中斷功能IRQ》中做詳細介紹。本期中，我們先事先了解一下“從外設功能以中斷的形式向CPU傳送信息”的內容。

各式各樣的定時(shí)器中，還有“看門(mén)狗定時(shí)器”!

在單片機的外設功能中，最貼心的定時(shí)器是計算到指定時(shí)間的定時(shí)器和每隔一段時(shí)間便發(fā)生中斷的定時(shí)器。另外，在瑞薩電子的RX63N單片機中，搭載了為控制伺服電動(dòng)機而產(chǎn)生脈寬調制解調(PWM)信號的定時(shí)器、計算輸入信號間隔的定時(shí)器、顯示現在時(shí)刻的RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)等各種各樣的定時(shí)器。

在定時(shí)器中，最具特色的是WDT(看門(mén)狗定時(shí)器)。其名字Watch Dog Time中的Watch dog意思為“看門(mén)狗”，它的工作就是監視程序是否出現失控。由WDT監視的程序通過(guò)事先將設定的值寫(xiě)入WDT后啟動(dòng)。WDT每隔一定時(shí)間便減掉寫(xiě)入的值，當程序正常運行時(shí)，處理結束前會(huì )對WDT清零再結束。但是，如果程序失控(進(jìn)入意料之外的重復狀態(tài)且無(wú)法停止)時(shí)，寫(xiě)入WDT的值將小于0(稱(chēng)為下溢)，因此向CPU通知程序出現了失控。在不允許睡眠的重要系統中，單片機中搭載的“看門(mén)狗定時(shí)器”DWDT發(fā)揮了極其重要的作用。

輕松嘗試使用定時(shí)器

雖然說(shuō)：“我們就通過(guò)程序來(lái)實(shí)際使用定時(shí)器……”，但是實(shí)際上，要想熟練運用定時(shí)器，必須先理解單片機的操作步驟。而且，不僅需要了解通過(guò)軟件進(jìn)行操作的步驟，還需理解單片機的硬件(結構)以及所使用的零部件的規格等。

因此，需要幫助時(shí)請使用“數據庫”。對于搭載了RX63N單片機的GR-SAKURA電路板，我們準備了幾個(gè)與時(shí)間和時(shí)刻有關(guān)的數據庫。

SAKURA 的sketch參數：櫻花程序庫時(shí)間(僅英文版)

在這個(gè)程序中，要讓GR-SAKURA上的LED在一定周期內發(fā)光。雖然僅是很簡(jiǎn)單的操作，但是要想讓LED在正確的周期內發(fā)光就需要使用定時(shí)器。在上述櫻花程序庫的“時(shí)間”選項內，有計算經(jīng)過(guò)時(shí)間的數據庫，所以我們就使用它。

程序如圖3所示。第14行的millis函數以從程序開(kāi)始時(shí)經(jīng)過(guò)的時(shí)間ms(毫秒：千分之一秒)為單位送回，沒(méi)有參數。使用該函數，通過(guò)獲取和最初的測定(第14行)之間的差距來(lái)取得1秒后、2秒后的結果。用while語(yǔ)言生成循環(huán)，從a的值等待1秒或2秒(第15行、第19行)。于是，1秒后LED0(GR-Sakura電路板的D1)亮燈，2秒后滅燈。滅燈后結束loop函數，但是該操作會(huì )再次反復繼續執行。另外，millis函數沒(méi)有符號，將返回long型的整數。

圖3：使用定時(shí)器功能使LED亮燈的程序。此例中，以1秒鐘為周期閃爍。

※//～是用于進(jìn)行評價(jià)，對程序的執行不產(chǎn)生影響

將程序輸入Web編譯器，再將編譯完成后的二進(jìn)制文件傳送給GR-SAKURA。傳送結束后，4個(gè)LED燈將暫時(shí)熄滅后再開(kāi)始執行，LED0(GR-Sakura電路板的D1)開(kāi)始閃爍。

接我們講解了必要的外設功能之一“定時(shí)器”。有關(guān)時(shí)間和時(shí)刻的處理，在各種場(chǎng)合都需要。請大家借此機會(huì )實(shí)際操作各種數據庫。

但是，文中的“懊128次”和“1/1024秒”這些數字突然冒出來(lái)，是否讓你吃了一驚呢?128是2的7次方，1024是2的10次方。RTC中具有每1/128秒產(chǎn)生一次中斷的功能……這是在單片機的世界中經(jīng)?？吹降臄底?。

接下來(lái)講中斷功能

提高作業(yè)效率的“中斷功能”指的是什么?

我們回顧一下“定時(shí)器”中簡(jiǎn)單介紹過(guò)的“中斷功能”概念。任何人都有過(guò)這樣的經(jīng)驗，就是“將雞蛋放進(jìn)沸騰的熱水中，直到雞蛋煮熟的10分鐘內要確認好幾次時(shí)鐘”的經(jīng)歷。在單片機的世界中也同樣，在等待某種狀態(tài)達成時(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(lái)檢查GPIO的狀態(tài)。這種處理被稱(chēng)為“輪詢(xún)”。

輪詢(xún)雖然是一種了解狀態(tài)變化的簡(jiǎn)單方法，但是如果檢查的頻度低(間隔長(cháng))就會(huì )錯過(guò)變化，如果頻度過(guò)高(間隔短)，即使查也查不到變化“空耗”。由于輪詢(xún)通過(guò)簡(jiǎn)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 )給單片機帶來(lái)負荷，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)停止正在執行的任務(wù)，轉而進(jìn)行別的任務(wù)。也就是有別的任務(wù)“穿插”進(jìn)來(lái)的意思(圖1)。當中途穿插進(jìn)來(lái)的任務(wù)結束后，CPU再返回處理原來(lái)的任務(wù)。

設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置定時(shí)器并繼續工作，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(lái)的工作。大家可以通過(guò)這種方式來(lái)了解中斷功能。

單片機中的中斷處理

中斷產(chǎn)生于單片機內部和外部的各種設備。于開(kāi)關(guān)和感應器等單片機外部的中斷稱(chēng)為外部引腳中斷，來(lái)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(chēng)被稱(chēng)為“ICUb”)發(fā)出通知。IRQ為“Interrupt ReQuest”的略稱(chēng)，意思為“中斷請求”。另外，來(lái)自單片機內部的定時(shí)器和GPIO、串行通信設備UART等外設機器的中斷被稱(chēng)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(lái)后到的順序，以適當的順序被傳送到CPU。而且，中斷被設為無(wú)效的設備的中斷信號將不會(huì )被傳送到CPU，也就意味著(zhù)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(lái)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(huì )自動(dòng)保存“從何處重啟”的出棧(POP)信息，這被稱(chēng)為“進(jìn)棧(PUSH)”。進(jìn)棧結束后，將開(kāi)始由中斷執行的程序。該程序結束時(shí)，進(jìn)棧信息將回送到CPU，這種現象被稱(chēng)為“出棧”(圖2)。由于進(jìn)棧和出棧都由CPU自動(dòng)執行，因此程序設計者不必因順序問(wèn)題而費心。

例如，通過(guò)UART執行串行通信時(shí)，經(jīng)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(jìn)行如下編程，即在信息送達時(shí)就會(huì )產(chǎn)生中斷并進(jìn)行適當的處理，另外，使定時(shí)器產(chǎn)生中斷的情況也不在少數。進(jìn)行“經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間后該做什么”這類(lèi)處理時(shí)，應進(jìn)行如下編程，即通過(guò)來(lái)自定時(shí)器的信號開(kāi)始進(jìn)行處理。如上所述，在有效利用單片機方面，中斷功能發(fā)揮了很大的作用。

還可使用數據庫嘗試編寫(xiě)復雜的中斷程序!

為了編寫(xiě)與中斷相關(guān)的程序，就需要了解單片機的運行。由于需要深入了解，所以不能僅是進(jìn)行簡(jiǎn)單的嘗試。幸好還有本系列中介紹過(guò)的GR-SAKURA數據庫，可在GR-SAKURA數據庫中進(jìn)行與外部引腳中斷相關(guān)的處理，所以請嘗試使用GR-SAKURA數據庫來(lái)進(jìn)行編程。

SAKURA sketch參數：櫻花程序庫--中斷(僅限英文版)

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(lái)自外部的中斷信號。這次是將定時(shí)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(xiàn)將IO0和IO31連接起來(lái)(圖3)。

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(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于上述所說(shuō)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(guò)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(méi)有將上述的IO0和IO31引腳進(jìn)行連接的GR-SAKURA中也無(wú)法運行。

以下為圖4的程序

※圖4程序結束

※圖4：用于外部引腳中斷的示例程序

在此數據庫中，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?yōu)镠電平)來(lái)產(chǎn)生中斷的情況。第48行的attachInterrupt()定義了在某個(gè)輸入引腳出現某種變化時(shí)該調用什么函數。因此，設定為根據輸入IO31引腳的中斷信號來(lái)啟動(dòng)irq3()。這樣的設定只需在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)器輸出引腳的設定、LED輸出的設定等初始條件。

沒(méi)有通過(guò)loop()函數進(jìn)行的處理。取而代之的是由irq3()這個(gè)函數進(jìn)行處理。從這個(gè)函數來(lái)看是看不出它是從程序中調用的。但是，正是由于這個(gè)函數，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irq3()中，四盞LED中只有一盞亮燈，這個(gè)函數一旦被調用，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標簽的部分，通過(guò)來(lái)自GPIO的輸出來(lái)滅燈且使旁邊的LED亮燈(邊緣的LED燈亮燈時(shí)，相反側的邊緣的LED亮燈或滅燈)。

為了應對不知何時(shí)會(huì )發(fā)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(shuō)，為了真正有效地利用單片機，這是一項不可缺少的技術(shù)。