Проблемы с контекстом прерываний

Для обмена данными между кодом обработчика прерывания и остальной частью вашей программы необходимо принять дополнительные меры.

В ходе реализации проекта может потребоваться несколько прерываний, но если каждое из них будет иметь максимальный приоритет, то фактически его не будет ни у одной из функций. По этой же причине не рекомендуется использовать более десятка прерываний.

Обработчики должны применяться только к тем процессам, которые имеют максимальную чувствительность ко временным интервалам. Не стоит забывать, что пока программа находится в обработчике прерывания – все другие прерывания отключены. Большое количество прерываний ведет к ухудшению их ответа.

В момент, когда действует одно прерывание, а остальные отключаются, возникает два важных нюанса, которые должен учитывать схемотехник. Во-первых, время прерывание должно быть максимально коротким.

Это позволит не пропустить все остальные запланированные прерывания. Во-вторых, при обработке прерывания программный код не должен требовать активности от других прерываний. Если этого не предотвратить, то программа просто зависнет.

Не стоит использовать длительную обработку в loop() , лучше разработать код для обработчика прерывания с установкой переменной volatile. Она подскажет программе, что дальнейшая обработка не нужна.

Если вызов функции Update() все же необходим, то предварительно необходимо будет проверить переменную состояния. Это позволит выяснить, необходима ли последующая обработка.

Перед тем, как заняться конфигурацией таймера, следует произвести проверку кода. Таймеры Anduino стоит отнести к ограниченным ресурсам, ведь их всего три, а применяются они для выполнения самых разных функций. Если запутаться с использованием таймеров, то ряд операций может просто перестать работать.

Какими функциями оперирует тот или иной таймер?

Для микроконтроллера Arduino Uno у каждого из трех таймеров свои операции.

Так Timer0 отвечает за ШИМ на пятом и шестом пине, функции millis() , micros() , delay() .

Другой таймер – Timer1, используется с ШИМ на девятом и десятом пине, с библиотеками WaveHC и Servo.

Timer2 работает с ШИМ на 11 и 13 пинах, а также с Tone .

Схемотехник должен позаботиться о безопасном использовании обрабатываемых совместно данных. Ведь прерывание останавливает на миллисекунду все операции процессора, а обмен данных между loop() и обработчиками прерываний должен быть постоянным. Может возникнуть ситуация, когда компилятор ради достижения своей максимальной производительности начнет оптимизацию кода.

Результатом этого процесса будет сохранение в регистре копии основных переменных кода, что позволит обеспечить максимальную скорость доступа к ним.

Недостатком этого процесса может стать подмена реальных значений сохраненными копиями, что может привести к потере функциональности.

Чтобы этого не произошло нужно использовать переменную voltatile , которая поможет предотвратить ненужные оптимизации. При использовании больших массивов, которым требуются циклы для обновлений, нужно отключить прерывания на момент этих обновлений.

И приведем пример использования функции Arduino attachInterrupt() .

Прерывание – это сигнал, который сообщает процессору о наступлении какого-либо события, которое требует незамедлительного внимания. Процессор должен отреагировать на этот сигнал, прервав выполнение текущих инструкций и передав управление обработчику прерывания (ISR, Interrupt Service Routine). Обработчик – это обычная функция, которую мы пишем сами и помещаем туда тот код, который должен отреагировать на событие.

После обслуживания прерывания ISR функция завершает свою работу и процессор с удовольствием возвращается к прерванным занятиям – продолжает выполнять код с того места, в котором остановился. Все это происходит автоматически, поэтому наша задача заключается только в том, чтобы написать обработчик прерывания, ничего при этом не сломав и не заставляя процессор слишком часто отвлекаться на нас. Понадобится понимание схемы, принципов работы подключаемых устройств и представление о том, как часто может вызываться прерывание, каковы особенности его возникновения. Все это и составляет основную сложность работы с прерываниями.

Аппаратные и программные прерывания

Прерывания в Ардуино можно разделить на несколько видов:

• Аппаратные прерывания . Прерывание на уровне микропроцессорной архитектуры. Самое событие может произойти в производительный момент от внешнего устройства – например, нажатие кнопки на клавиатуре, движение компьютерной мыши и т.п.
• Программные прерывания . Запускаются внутри программы с помощью специальной инструкции. Используются для того, чтобы вызвать обработчик прерываний.
• Внутренние (синхронные) прерывания . Внутреннее прерывание возникает в результате изменения или нарушения в исполнении программы (например, при обращении к недопустимому адресу, недопустимый код операции и другие).

Зачем нужны аппаратные прерывания

Аппаратные прерывания возникают в ответ на внешнее событие и исходят от внешнего аппаратного устройства. В Ардуино представлены 4 типа аппаратных прерываний. Все они различаются сигналом на контакте прерывания:

• Контакт притянут к земле. Обработчик прерывания исполняется до тех пор, пока на пине прерывания будет сигнал LOW.
• Изменение сигнала на контакте. В таком случае Ардуино выполняет обработчик прерывания, когда на пине прерывания происходит изменение сигнала.
• Изменение сигнала от LOW к HIGH на контакте – при изменении с низкого сигнала на высокий будет исполняться обработчик прерывания.
• Изменение сигнала от HIGH к LOW на контакте – при изменении с высокого сигнала на низкий будет исполняться обработчик прерывания.

Прерывания полезны в программах Ардуино, так как помогают решать проблемы синхронизации. Например, при работе с UART прерывания позволяют не отслеживать поступление каждого символа. Внешнее аппаратное устройство подает сигнал прерывания, процессор сразу же вызывает обработчик прерывания, который вовремя захватывает символ. Это позволяет экономить процессорное время, которое без прерываний тратилось бы на проверку статуса UART, вместо этого все необходимые действия выполняются обработчиком прерывания, не затрагивая главную программу. Особых возможностей от аппаратного устройства не требуется.

Основными причинами, по которым необходимо вызвать прерывание, являются:

• Определение изменения состояния вывода;
• Прерывание по таймеру;
• Прерывания данных по SPI, I2C, USART;
• Аналогово-цифровое преобразование;
• Готовность использовать EEPROM, флеш-память.

Как реализуются прерывания в Ардуино

При поступлении сигнала прерывания работа приостанавливается. Начинается выполнение функции, которая объявляется на выполнение при прерывании. Объявленная функция не может принимать входные значения и возвращать значения при завершении работы. На сам код в основном цикле программы прерывание не влияет. Для работы с прерываниями в Ардуино используется стандартная функция attachInterrupt() .

Отличие реализации прерываний в разных платах Ардуино

В зависимости от аппаратной реализации конкретной модели микроконтроллера есть несколько прерываний. Плата Arduino Uno имеет 2 прерывания на втором и третьем пине, но если требуется более двух выходов, плата поддерживает специальный режим «pin-change». Этот режим работает по изменению входа для всех пинов. Отличие режима прерывания по изменению входа заключается в том, что прерывания могут генерироваться на любом из восьми контактов. Обработка в таком случае будет сложнее и дольше, так как придется отслеживать последнее состояние на каждом из контактов.

На других платах число прерываний выше. Например, плата имеет 6 пинов, которые могут обрабатывать внешние прерывания. Для всех плат Ардуино при работе с функцией attachInterrupt (interrupt, function, mode) аргумент Inerrupt 0 связан с цифровым пином 2.

Прерывания в языке Arduino

Теперь давайте перейдем к практике и поговорим о том, как использовать прерывания в своих проектах.

Синтаксис attachInterrupt()

Функция attachInterrupt используется для работы с прерываниями. Она служит для соединения внешнего прерывания с обработчиком.

Синтаксис вызова: attachInterrupt(interrupt, function, mode)

Аргументы функции:

• interrupt – номер вызываемого прерывания (стандартно 0 – для 2-го пина, для платы Ардуино Уно 1 – для 3-го пина),
• function – название вызываемой функции при прерывании(важно – функция не должна ни принимать, ни возвращать какие-либо значения),
• mode – условие срабатывания прерывания.

Возможна установка следующих вариантов условий срабатывания:

• LOW – выполняется по низкому уровню сигнала, когда на контакте нулевое значение. Прерывание может циклично повторяться – например, при нажатой кнопке.
• CHANGE – по фронту, прерывание происходит при изменении сигнала с высокого на низкий или наоборот. Выполняется один раз при любой смене сигнала.
• RISING – выполнение прерывания один раз при изменении сигнала от LOW к HIGH.
• FALLING – выполнение прерывания один раз при изменении сигнала от HIGH к LOW.4

Важные замечания

При работе с прерываниями нужно обязательно учитывать следующие важные ограничения:

• Функция – обработчик не должна выполняться слишком долго. Все дело в том, что Ардуино не может обрабатывать несколько прерываний одновременно. Пока выполняется ваша функция-обработчик, все остальные прерывания останутся без внимания и вы можете пропустить важные события. Если надо делать что-то большое – просто передавайте обработку событий в основном цикле loop(). В обработчике вы можете лишь устанавливать флаг события, а в loop – проверять флаг и обрабатывать его.
• Нужно быть очень аккуратными с переменными. Интеллектуальный компилятор C++ может “пере оптимизировать” вашу программу – убрать не нужные, на его взгляд, переменные. Компилятор просто не увидит, что вы устанавливаете какие-то переменные в одной части, а используете – в другой. Для устранения такой вероятности в случае с базовыми типами данных можно использовать ключевое слово volatile, например так: volatile boolean state = 0. Но этот метод не сработает со сложными структурами данных. Так что надо быть всегда на чеку.
• Не рекомендуется использовать большое количество прерываний (старайтесь не использовать более 6-8). Большое количество разнообразных событий требует серьезного усложнения кода, а, значит, ведет к ошибкам. К тому же надо понимать, что ни о какой временной точности исполнения в системах с большим количеством прерываний речи быть не может – вы никогда точно не поймете, каков промежуток между вызовами важных для вас команд.
• В обработчиках категорически нельзя использовать delay(). Механизм определения интервала задержки использует таймеры, а они тоже работают на прерываниях, которые заблокирует ваш обработчик. В итоге все будут ждать всех и программа зависнет. По этой же причине нельзя использовать протоколы связи, основанные на прерываниях (например, i2c).

Примеры использования attachInterrupt

Давайте приступим к практике и рассмотрим простейший пример использования прерываний. В примере мы определяем функцию-обработчик, которая при изменении сигнала на 2 пине Arduino Uno переключит состояние пина 13, к которому мы традиционно подключим светодиод.

#define PIN_LED 13 volatile boolean actionState = LOW; void setup() { pinMode(PIN_LED, OUTPUT); // Устанавливаем прерывание // Функция myEventListener вызовется тогда, когда // на 2 пине (прерываниие 0 связано с пином 2) // изменится сигнал (не важно, в какую сторону) attachInterrupt(0, myEventListener, CHANGE); } void loop() { // В функции loop мы ничего не делаем, т.к. весь код обработки событий будет в функции myEventListener } void myEventListener() { actionState != actionState; // // Выполняем другие действия, например, включаем или выключаем светодиод digitalWrite(PIN_LED, actionState); }

Давайте рассмотрим несколько примеров более сложных прерываний и их обработчиков: для таймера и кнопок.

Прерывания по нажатию кнопки с антидребезгом

При прерывании возникает – перед тем, как контакты плотно соприкоснутся при нажатии кнопки, они будут колебаться, порождая несколько срабатываний. Бороться с дребезгом можно двумя способами – аппаратно, то есть, припаивая к кнопке конденсатора, и программно.

Избавиться от дребезга можно при помощи функции – она позволяет засечь время, прошедшее от первого срабатывания кнопки.

If(digitalRead(2)==HIGH) { //при нажатии кнопки //Если от предыдущего нажатия прошло больше 100 миллисекунд if (millis() - previousMillis >= 100) { //Запоминается время первого срабатывания previousMillis = millis(); if (led==oldled) { //происходит проверка того, что состояние кнопки не изменилось led=!led; }

Этот код позволяет удалить дребезг и не блокирует исполнение программы, как в случае с функцией delay, которая недопустима в прерываниях.

Прерывания по таймеру

Таймером называется счетчик, который производит счет с некоторой частотой, получаемой из процессорных 16 МГц. Можно произвести конфигурацию делителя частоты для получения нужного режима счета. Также можно настроить счетчик для генерации прерываний при достижении заданного значения.

И прерывание по таймеру позволяет выполнять прерывание один раз в миллисекунду. В Ардуино имеется 3 таймера – Timer0, Timer1 и Timer2. Timer0 используется для генерации прерываний один раз в миллисекунду, при этом происходит обновление счетчика, который передается в функцию millis (). Этот таймер является восьмибитным и считает от 0 до 255. Прерывание генерируется при достижении значения 255. По умолчанию используется тактовый делитель на 65, чтобы получить частоту, близкую к 1 кГц.

Для сравнения состояния на таймере и сохраненных данных используются регистры сравнения. В данном примере код будет генерировать прерывание при достижении значения 0xAF на счетчике.

TIMSK0 |= _BV(OCIE0A);

Требуется определить обработчик прерывания для вектора прерывания по таймеру. Вектором прерывания называется указатель на адрес расположения команды, которая будет выполняться при вызове прерывания. Несколько векторов прерывания объединяются в таблицу векторов прерываний. Таймер в данном случае будет иметь название TIMER0_COMPA_vect. В этом обработчике будут производиться те же действия, что и в loop ().

SIGNAL(TIMER0_COMPA_vect) { unsigned long currentMillis = millis(); sweeper1.Update(currentMillis); if(digitalRead(2) == HIGH) { sweeper2.Update(currentMillis); led1.Update(currentMillis); } led2.Update(currentMillis); led3.Update(currentMillis); } //Функция loop () останется пустой. void loop() { }

Подведение итогов

Прерывание в Ардуино – довольно сложная тема, потому что приходится думать сразу обо всей архитектуре проекта, представлять как выполняется код, какие возможны события, что происходит, когда основной код прерывается. Мы не ставили задачу раскрыть все особенности работы с этой конструкцией языка, главная цель была познакомить с основными вариантами использования. В следующих статьях мы продолжим разговор о прерываниях более подробне.

В этом уроке мы поговорим о прерываниях. Как понятно из названия, прерывание это событие, которое приостанавливает выполнение текущих задач и передает управление обработчику прерывания. Обработчик прерывания — это функция. Например: если вы написали скетч по управлению мотором или просто плавно зажигаете и гасите светодиод в цикле, то нажатие на кнопку может не обрабатываться, так как Arduino в данный момент занята другой частью кода. Если же использовать прерывание, то такой проблемы не возникнет, так как прерывания имеют более высокий приоритет.

В ардуино есть прерывания по таймеру и аппаратное прерывание. Далее я подробнее расскажу что это, как это использовать и зачем оно вам нужно.

В этом уроке используется:

Аппаратные прерывания

В Arduino имеется 4 вида аппаратных прерываний. Отличаются они сигналом на контакте прерывания.

• Контакт прерывания притянут к земле. Ардуино будет выполнять обработчик прерывания пока на пине прерывания будет сигнал LOW.
• Изменение сигнала на контакте прерывания. Ардуино будет выполнять обработчик прерывания каждый раз когда на пине прерывания будет изменяться сигнал.
• Изменение сигнала на контакте прерывания от LOW к HIGH. Обработчик прерывания исполняется только при изменении низкого сигнала на высокий.
• Изменение сигнала на контакте прерывания от HIGH к LOW. Обработчик прерывания исполняется только при изменении высокого сигнала на низкий.

Если прерывание ожидает нажатия кнопки, то это может стать проблемой из-за дребезга контактов. В мы уже говорили о дребезге контактов. Тогда мы использовали функцию но в прерываниях данная функция не доступна. Поэтому нам придется подавить дребезг контактов немного усложнив схему подключения кнопки к пину прерывания. Для этого понадобится резистор на 10 КОм, конденсатор на 10 микрофарад,
и инвертирующий триггер шмитта. Подключается все по следующей схеме:

В Arduino Uno есть два пина, поддерживающие прерывания. Это цифровые пины 2 (int 0) и 3 (int 1). Один из них мы и будем использовать в нашей схеме.

Предлагаю сделать устройство, которое будет поочередно изменять яркость светодиодов в зависимости от показаний инфракрасного датчика расстояния, а по нажатию на кнопку прерывания будем переходить от одного светодиода к другому. Наше устройство будет выглядеть примерно вот так:

Схема кажется сложной и запутанной, но это не так. Мы подключаем кнопку прерывания к пину Arduino D2, используя аппаратное подавление дребезга контактов. К аналоговому пину A0 мы подключаем инфракрасный дальномер. И к пинам D9, D10 и D11 мы подключаем светодиоды через резисторы на 150 Ом. Мы выбрали именно эти контакты для светодиодов, потому что они могут выдавать ШИМ сигнал.Теперь рассмотрим скетч:

// Назначение прерывания int buttonInt = 0; // Переменные с пинами светодиодов int yellowLed = 11; int redLed = 10; int greenLed = 9; int nullLed = 6; volatile int selectedLed = greenLed; // Инфракрасный дальномер int distPin = 0; void setup () { // Устанавливаем режимы пинов pinMode(redLed, OUTPUT); pinMode(greenLed, OUTPUT); pinMode(yellowLed, OUTPUT); pinMode(nullLed, OUTPUT); // Устанавливаем прерывание attachInterrupt(buttonInt, swap, RISING); } // Обработчик прерывания void swap() { if(selectedLed == greenLed) selectedLed = redLed; else if(selectedLed == redLed) selectedLed = yellowLed; else if(selectedLed == yellowLed) selectedLed = nullLed; else selectedLed = greenLed; } void loop () { // Получаем данные с дальномера int dist = analogRead(distPin); int brightness = map(dist, 0, 1023, 0, 255); // Управляем яркостью analogWrite(selectedLed, brightness); }