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[導讀]在單片機中,不僅頻繁地使用“○月○日○點○分”這種時刻顯示,顯示過去的時間和一定的周期這種形式也被頻繁地使用。例如,“該程序從運行開始過去了多少時

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

 

 

我們也可以不使用外設功能(硬件)的定時器,而是通過軟件來計算時間。下面通過圖2來說明使用軟件來定時的示例,圖中假設循環(huán)(重復)部分的處理需要費時1μs(微秒:100萬分之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100萬次則需費時1秒。即:通過“等待經過循環(huán)處理所指定的時間”來計算時間。但是,CPU將會集中進行時間計算的處理而無法進行其他處理。而且,只能計算一個周期的時間。而現(xiàn)實當中,單片機需要對應0.1秒和1/1024秒等各種周期的時間。

另外,CPU的計時器頻率(驅動速度)也將對軟件產生影響。如果將100MHz驅動的CPU改為50MHz,那么循環(huán)1次所需的時間將變?yōu)樵瓉淼膬杀?。因此,需要對計算時間的軟件進行修正。如上所述,由于在管理上既花時間又容易出錯,所以要極力避免通過軟件來計算時間。

 

 

稍微介紹一下中斷的內容……

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

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分鐘內一直盯著時鐘看,那么這段時間內我們就不能做其它事情。但如果用廚房定時器設定3分鐘的時間,在廚房定時器的警報響起之前我們便可以去做其它事情。在這個例子中,“一直盯著時鐘看”就相當于前一節(jié)中所介紹的“等待經過循環(huán)處理所指定的時間”,所以在處理結束之前不能去做其它事情。同時,廚房定時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器,這些定時器在經過指定的時間或處理結束時向CPU發(fā)送中斷信號。不僅是定時器,很多外設功能都會在“產生變化”、“處理開始/結束”時將中斷信息傳送給CPU。所以,CPU在中斷功能發(fā)生前還可以繼續(xù)做其它工作,因此可提高作業(yè)效率。關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。

各式各樣的定時器中,還有“看門狗定時器”!

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

在定時器中,最具特色的是WDT(看門狗定時器)。其名字Watch Dog Time中的Watch dog意思為“看門狗”,它的工作就是監(jiān)視程序是否出現(xiàn)失控。由WDT監(jiān)視的程序通過事先將設定的值寫入WDT后啟動。WDT每隔一定時間便減掉寫入的值,當程序正常運行時,處理結束前會對WDT清零再結束。但是,如果程序失控(進入意料之外的重復狀態(tài)且無法停止)時,寫入WDT的值將小于0(稱為下溢),因此向CPU通知程序出現(xiàn)了失控。在不允許睡眠的重要系統(tǒng)中,單片機中搭載的“看門狗定時器”―WDT發(fā)揮了極其重要的作用。

輕松嘗試使用定時器

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

因此,需要幫助時請使用“數(shù)據(jù)庫”。對于搭載了RX63N單片機的GR-SAKURA電路板,我們準備了幾個與時間和時刻有關的數(shù)據(jù)庫。

SAKURA 的sketch參數(shù):櫻花程序庫時間(僅英文版)

在這個程序中,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)光就需要使用定時器。在上述櫻花程序庫的“時間”選項內,有計算經過時間的數(shù)據(jù)庫,所以我們就使用它。

程序如圖3所示。第14行的millis函數(shù)以從程序開始時經過的時間ms(毫秒:千分之一秒)為單位送回,沒有參數(shù)。使用該函數(shù),通過獲取和最初的測定(第14行)之間的差距來取得1秒后、2秒后的結果。用while語言生成循環(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(shù),但是該操作會再次反復繼續(xù)執(zhí)行。另外,millis函數(shù)沒有符號,將返回long型的整數(shù)。

圖3:使用定時器功能使LED亮燈的程序。此例中,以1秒鐘為周期閃爍。

 

 

※//~是用于進行評價,對程序的執(zhí)行不產生影響

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

接我們講解了必要的外設功能之一“定時器”。有關時間和時刻的處理,在各種場合都需要。請大家借此機會實際操作各種數(shù)據(jù)庫。

但是,文中的“毎秒128次”和“1/1024秒”這些數(shù)字突然冒出來,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秒產生一次中斷的功能……這是在單片機的世界中經??吹降臄?shù)字。

接下來講中斷功能

提高作業(yè)效率的“中斷功能”指的是什么?

我們回顧一下“定時器”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(tài)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端口)的輸入從0變?yōu)?時,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(zhí)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后,CPU再返回處理原來的任務。

 

 

設想一下你在工作的同時煮雞蛋的情況。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器并繼續(xù)工作,10分鐘后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

中斷產生于單片機內部和外部的各種設備。于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(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后到的順序,以適當?shù)捻樞虮粋魉偷紺PU。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(zhí)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(zhí)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)”。進棧結束后,將開始由中斷執(zhí)行的程序。該程序結束時,進棧信息將回送到CPU,這種現(xiàn)象被稱為“出棧”(圖2)。由于進棧和出棧都由CPU自動執(zhí)行,因此程序設計者不必因順序問題而費心。

 

 

例如,通過UART執(zhí)行串行通信時,經常監(jiān)視字節(jié)是否被接收了而導致效率不佳。所以,多數(shù)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并進行適當?shù)奶幚恚硗?,使定時器產生中斷的情況也不在少數(shù)。進行“經過了一定時間后該做什么”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(fā)揮了很大的作用。

還可使用數(shù)據(jù)庫嘗試編寫復雜的中斷程序!

為了編寫與中斷相關的程序,就需要了解單片機的運行。由于需要深入了解,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數(shù)據(jù)庫,可在GR-SAKURA數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)庫來進行編程。

SAKURA sketch參數(shù):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)。

 

 

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?yōu)镠電平時,LED燈將啟動。而且是在檢測到相當于上述所說明的“外部引腳中斷”的中斷信號后才會變化。從IO0引腳進行定時器輸出,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間間隔發(fā)生中斷。

※即使已對該程序進行了匯編,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(shù)據(jù)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(jù)向IO31引腳輸入的變化(從L電平變?yōu)镠電平)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(xiàn)某種變化時該調用什么函數(shù)。因此,設定為根據(jù)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(shù)進行的處理。取而代之的是由irq3()這個函數(shù)進行處理。從這個函數(shù)來看是看不出它是從程序中調用的。但是,正是由于這個函數(shù),才能使中斷信號進入IO31引腳時使LED的光發(fā)生變化。在函數(shù)irq3()中,四盞LED中只有一盞亮燈,這個函數(shù)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“變化”,在case標簽的部分,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,相反側的邊緣的LED亮燈或滅燈)。

為了應對不知何時會發(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,為了真正有效地利用單片機,這是一項不可缺少的技術。

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