單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)(上)

在單片機(jī)中，不僅頻繁地使用“○月○日○點(diǎn)○分”這種時(shí)刻顯示，顯示過去的時(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(yùn)行開始過去了多少時(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)過指定的時(shí)間后將轉(zhuǎn)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(shè)功能就是定時(shí)器(圖1)。

我們也可以不使用外設(shè)功能(硬件)的定時(shí)器，而是通過軟件來計(jì)算時(shí)間。下面通過圖2來說明使用軟件來定時(shí)的示例，圖中假設(shè)循環(huán)(重復(fù))部分的處理需要費(fèi)時(shí)1μs(微秒：100萬分之1秒)。由此可以計(jì)算出該循環(huán)部分重復(fù)1000次需要花費(fèi)1ms(毫秒：千分之1秒)，重復(fù)100萬次則需費(fèi)時(shí)1秒。即：通過“等待經(jīng)過循環(huán)處理所指定的時(shí)間”來計(jì)算時(shí)間。但是，CPU將會集中進(jìn)行時(shí)間計(jì)算的處理而無法進(jìn)行其他處理。而且，只能計(jì)算一個(gè)周期的時(shí)間。而現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，單片機(jī)需要對應(yīng)0.1秒和1/1024秒等各種周期的時(shí)間。

另外，CPU的計(jì)時(shí)器頻率(驅(qū)動(dòng)速度)也將對軟件產(chǎn)生影響。如果將100MHz驅(qū)動(dòng)的CPU改為50MHz，那么循環(huán)1次所需的時(shí)間將變?yōu)樵瓉淼膬杀?。因此，需要對?jì)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(cuò)，所以要極力避免通過軟件來計(jì)算時(shí)間。

稍微介紹一下中斷的內(nèi)容……

下面，我們簡單介紹一下和定時(shí)器不可分割的技術(shù)——“中斷功能”。單片機(jī)中的“中斷功能”是指某個(gè)程序在執(zhí)行過程中，因某種原因而發(fā)出“開始進(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(dāng)我們把熱水倒入方便面盒中后，如果我們在3分鐘內(nèi)一直盯著時(shí)鐘看，那么這段時(shí)間內(nèi)我們就不能做其它事情。但如果用廚房定時(shí)器設(shè)定3分鐘的時(shí)間，在廚房定時(shí)器的警報(bào)響起之前我們便可以去做其它事情。在這個(gè)例子中，“一直盯著時(shí)鐘看”就相當(dāng)于前一節(jié)中所介紹的“等待經(jīng)過循環(huán)處理所指定的時(shí)間”，所以在處理結(jié)束之前不能去做其它事情。同時(shí)，廚房定時(shí)器的警報(bào)就相當(dāng)于中斷功能。在中斷發(fā)生前還可以去做其它事情。

單片機(jī)的外設(shè)功能中有各種各樣的定時(shí)器，這些定時(shí)器在經(jīng)過指定的時(shí)間或處理結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)送中斷信號。不僅是定時(shí)器，很多外設(shè)功能都會在“產(chǎn)生變化”、“處理開始/結(jié)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(xù)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(xì)內(nèi)容，將在本系列第4期的《外部中斷功能IRQ》中做詳細(xì)介紹。本期中，我們先事先了解一下“從外設(shè)功能以中斷的形式向CPU傳送信息”的內(nèi)容。

各式各樣的定時(shí)器中，還有“看門狗定時(shí)器”!

在單片機(jī)的外設(shè)功能中，最貼心的定時(shí)器是計(jì)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(jī)中，搭載了為控制伺服電動(dòng)機(jī)而產(chǎn)生脈寬調(diào)制解調(diào)(PWM)信號的定時(shí)器、計(jì)算輸入信號間隔的定時(shí)器、顯示現(xiàn)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(看門狗定時(shí)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(shè)定的值寫入WDT后啟動(dòng)。WDT每隔一定時(shí)間便減掉寫入的值，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，處理結(jié)束前會對WDT清零再結(jié)束。但是，如果程序失控(進(jìn)入意料之外的重復(fù)狀態(tài)且無法停止)時(shí)，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(jī)中搭載的“看門狗定時(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：“我們就通過程序來實(shí)際使用定時(shí)器……”，但是實(shí)際上，要想熟練運(yùn)用定時(shí)器，必須先理解單片機(jī)的操作步驟。而且，不僅需要了解通過軟件進(jìn)行操作的步驟，還需理解單片機(jī)的硬件(結(jié)構(gòu))以及所使用的零部件的規(guī)格等。

因此，需要幫助時(shí)請使用“數(shù)據(jù)庫”。對于搭載了RX63N單片機(jī)的GR-SAKURA電路板，我們準(zhǔn)備了幾個(gè)與時(shí)間和時(shí)刻有關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

SAKURA 的sketch參數(shù)：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(nèi)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(nèi)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(xiàng)內(nèi)，有計(jì)算經(jīng)過時(shí)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(shí)經(jīng)過的時(shí)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(jié)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(jié)束loop函數(shù)，但是該操作會再次反復(fù)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(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(zhí)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(jié)束后，4個(gè)LED燈將暫時(shí)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(shè)功能之一“定時(shí)器”。有關(guān)時(shí)間和時(shí)刻的處理，在各種場合都需要。請大家借此機(jī)會實(shí)際操作各種數(shù)據(jù)庫。

但是，文中的“懊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(chǎn)生一次中斷的功能……這是在單片機(jī)的世界中經(jīng)常看到的數(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(shí)器”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)。

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“出棧”(圖2)。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。

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。

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(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)。

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。

以下為圖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)。