单片机中提高作业效率的“中断功能”解读

我们已经介绍了应用单片机的外设功能的结构和使用方法。本期我们介绍更有效地应用单片机而必须的外设功能——“中断功能”。

提高作业效率的“中断功能”指的是什么？

我们回顾一下本系列第二期的“定时器”篇中简单介绍过的“中断功能”概念。任何人都有过这样的经验，就是“将鸡蛋放进沸腾的热水中，直到鸡蛋煮熟的10分钟内要确认好几次时钟”的经历。在单片机的世界中也同样，在等待某种状态达成时，具有对对象进行定期检查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O端口）的输入从0变为1时，程序可以一定的间隔来检查GPIO的状态。这种处理被称为“轮询”。

轮询虽然是一种了解状态变化的简单方法，但是如果检查的频度低（间隔长）就会错过变化，如果频度过高（间隔短），即使查也查不到变化“空耗”。由于轮询通过简单的程序便能完成处理，所以在掌握对象的变化频度时是有效的。但是，进行多次检查也会给单片机带来负荷，对功耗不利。

因此就要用到本期介绍的“中断功能”。产生中断时，CPU会暂时停止正在执行的任务，转而进行别的任务。也就是有别的任务“穿插”进来的意思（图1） 。当中途穿插进来的任务结束后，CPU再返回处理原来的任务。

图１：中断与轮询

设想一下你在工作的同时煮鸡蛋的情况。 由于你不想停下手中的工作，所以把鸡蛋放入热水中后就设置定时器并继续工作，10分钟后定时器一响就把鸡蛋从热水中捞起。这时，定时器的鸣叫就是中断 ，而“把鸡蛋从热水中捞起”就是穿插进来的工作。大家可以通过这种方式来了解中断功能。

单片机中的中断处理

中断产生于单片机内部和外部的各种设备。于开关和感应器等单片机外部的中断称为外部引脚中断，来自这些机器的中断信号由名为“IRQ”的引脚接收，再向中断控制器（在RX63N中称被称为“ICUb”）发出通知。IRQ为“Interrupt ReQuest”的略称，意思为“中断请求”。另外，来自单 片机内部的定时器和GPIO、串行通信设备UART等外设机器的中断被称为外部设备中断，中断信号直接从各外部设备通知中断控制器。

在中断控制器中，各种设备的中断信号按照先来后到的顺序，以适当的顺序被传送到CPU。而且，中断被设为无效的设备的中断信号将不会被传送到CPU，也就意味着可以忽视（屏蔽）这些信号。CPU按照从中断控制器接收到的指示来执行对应的程序（中断处理）。

CPU一旦接收到中断控制器的中断信号，首先将终止执行中的程序。然而，会自动保存“从何处重启”的出栈（POP）信息，这被称为“进栈（PUSH）”。进栈结束后，将开始由中断执行的程序。该程序结束时，进栈信息将回 送到CPU，这种现象被称为“出栈”（图2）。由于进栈和出栈都由CPU自动执行，因此程序设计者不必因顺序问题而费心。

图２：中断处理流程

例如，通过UART执行串行通信时，经常监视字节是否被接收了而导致效率不佳。所以，多数情况下都对程序进行如下编程，即在信息送达 时就会产生中断并进行适当的处理，另外，使定时器产生中断的情况也不在少数。进行“经过了一定时间后该做什么”这类处理时，应进行如下编程，即通过来自定时器的信号开始进行处理。如上所述，在有效利用单片机方面，中断功能发挥了很大的作用。

还可使用数据库尝试编写复杂的中断程序！

为了编写与中断相关的程序，就需要了解单片机的运行。由于需要深入了解，所以不能仅是进行简单的尝试。幸好还有本系列中介绍过的GR-SAKURA数据库，可在GR-SAKURA数据库中进行与外部引脚中断相关的处理，所以请尝试使用GR-SAKURA数据库来进行编程。

为了向GR-SAKURA提供外部引脚中断，还需要做些工作。在GR-SAKURA中，从IO30引脚到IO35引脚接收来自外部的中断信号。这次是将定时器输出引导到IO0引脚，再将它传送到IO31引脚作为中断信号。因此，要从IO30引脚到GND的部分设置引脚接口，由底板用的电线将IO0和IO31连接起来（图3）。

图３：GR-SAKURA的准备（引脚设置）

在示例程序（图4）中预先准备了如下功能，即当GR- SAKURA的外部中断信号引脚（从IO30到IO35中的一个）的输入从L电平变为H电平时，LED灯将启动。而且是在检测到相当于上述所说明的“外部引脚中断”的中断信号后才会变化。从IO0引脚进行定时器输出，并将之与中断输入引脚即IO31引脚连接，通过这样的方式便可以与一定的时间间隔发生中断。

※即使 已对该程序进行了汇编，在没有将上述的IO0和IO31引脚进行连接的GR-SAKURA中也无法运行。

以上为图4的程序

※图4程序结束

※图4：用于外部引脚中断的示例程序

在此数据库中，可对分别与前述中断信号输入引脚对应的处理。本次所示的是根据向IO31引脚输入的变化（从L电平变为H电平）来产生中断的情况。第48行的attachInterrupt（）定义了在某个输入引脚出现某种变化时该调用什么函数。因此，设定为根据输入IO31引脚的中断信号来启动irq3（）。这样的设定只需在setup（）中定义一次便能在整个程序中有效。除此以外，在setup（）中还记述了定时器的定义、定时器输出引脚的设定、LED输出的设定等初始条件。

没有通过loop（）函数进行的处理。取而代之的是由irq3（）这个函数进行处理。从这个函数来看是看不出它是从程序中调用的。但是，正是由于这个函数，才能使中断信号进入IO31引脚时使LED的光发生变化。在函数irq3（）中，四盏LED中只有一盏亮灯，这个函数一旦被调用，亮灯的LED就发生一次变化。为了让人看得到这个“变化”，在case标签的部分，通过来自GPIO的输出来灭灯且使旁边的LED亮灯（边缘的LED灯亮灯时，相反侧的边缘的LED亮灯或灭灯）。

为了应对不知何时会发生的意外，中断就是非常有效的应对方法。而且，中断还可以减少程序的不必要运行，从而可降低功耗。也可以说，为了真正有效地利用单片机，这是一项不可缺少的技术。
编辑：hfy