Использование прерываний на Arduino
Как выясняется, существует отличный (но недостаточно часто используемый) механизм, встроенный во все Arduino, который идеально подходит для отслеживания событий в режиме реального времени. Данный механизм называется прерыванием. Работа прерывания заключается в том, чтобы убедиться, что процессор быстро отреагирует на важные события. При обнаружении определенного сигнала прерывание (как и следует из названия) прерывает всё, что делал процессор, и выполняет некоторый код, предназначенный для реагирования на вызвавшую его внешнюю причину, воздействующую на Arduino. После того, как этот код будет выполнен, процессор возвращается к тому, что он изначально делал, как будто ничего не случилось!
Что в этом удивительного, так это то, что прерывания позволяют организовать вашу программу так, чтобы быстро и эффективно реагировать на важные события, которые не так легко предусмотреть в цикле программы. И лучше всего это то, что прерывания позволяют процессору заниматься другими делами, а тратить время на ожидание события.
Прерывания по кнопке
Начнем с простого примера: использования прерывания для отслеживания нажатия кнопки. Для начала, мы возьмем скетч, который вы, вероятно, уже видели: пример « Button », включенный в Arduino IDE (вы можете найти его в каталоге « Примеры », проверьте меню Файл → Примеры → 02. Digital → Button ).
В том, что вы видите здесь, нет ничего шокирующего и удивительного: всё, что программа делает снова и снова, это прохождение через цикл loop() и чтение значения buttonPin . Предположим на секунду, что вы хотели бы сделать в loop() что-то еще, что-то большее, чем просто чтение состояния вывода. Вот здесь и пригодится прерывание. Вместо того, чтобы постоянно наблюдать за состоянием вывода, мы можем поручить эту работу прерыванию и освободить loop() для выполнения в это время того, что нам необходимо! Новый код будет выглядеть следующим образом:
Циклы и режимы прерываний
Здесь вы заметите несколько изменений. Первым и самым очевидным из них является то, что loop() теперь не содержит никаких инструкций! Мы можем обойтись без них, так как вся работа, которая ранее выполнялась в операторе if/else , теперь выполняется в новой функции pin_ISR() . Этот тип функций называется обработчиком прерывания: его работа состоит в том, чтобы быстро запуститься, обработать прерывание и позволить процессору вернуться обратно к основной программе (то есть к содержимому loop() ). При написании обработчика прерывания следует учитывать несколько важных моментов, отражение которых вы можете увидеть в приведенном выше коде:
- обработчики должны быть короткими и лаконичными. Вы ведь не хотите прерывать основной цикл надолго!
- у обработчиков нет входных параметров и возвращаемых значений. Все изменения должны быть выполнены на глобальных переменных.
Вам, наверное, интересно: откуда мы знаем, когда запустится прерывание? Что его вызывает? Третья функция, вызываемая в функции setup() , устанавливает прерывание для всей системы. Данная функция, attachInterrupt() , принимает три аргумента:
- вектор прерывания, который определяет, какой вывод может генерировать прерывание. Это не сам номер вывода, а ссылка на место в памяти, за которым процессор Arduino должен наблюдать, чтобы увидеть, не произошло ли прерывание. Данное пространство в этом векторе соответствует конкретному внешнему выводу, и не все выводы могут генерировать прерывание! На Arduino Uno генерировать прерывания могут выводы 2 и 3 с векторами прерываний 0 и 1, соответственно. Для получения списка выводов, которые могут генерировать прерывания, смотрите документацию на функцию attachInterrupt для Arduino;
- имя функции обработчика прерывания: определяет код, который будет запущен при совпадении условия срабатывания прерывания;
- режим прерывания, который определяет, какое действие на выводе вызывает прерывание. Arduino Uno поддерживает четыре режима прерывания:
- RISING – активирует прерывание по переднему фронту на выводе прерывания;
- FALLING – активирует прерывание по спаду;
- CHANGE – реагирует на любое изменение значения вывода прерывания;
- LOW – вызывает всякий раз, когда на выводе низкий уровень.
И резюмируя, наша настройка attachInterrupt() соответствует отслеживанию вектора прерывания 0 (вывод 2), чтобы отреагировать на прерывание с помощью pin_ISR() , и вызвать pin_ISR() всякий раз, когда произойдет изменение состояния на выводе 2.
Volatile
Еще один момент, на который стоит указать: наш обработчик прерывания использует переменную buttonState для хранения состояния вывода. Проверьте определение buttonState : вместо типа int , мы определили его, как тип volatile int . В чем же здесь дело? volatile является ключевым словом языка C, которое применяется к переменным. Оно означает, что значение переменной находится не под полным контролем программы. То есть значение buttonState может измениться и измениться на что-то, что сама программа не может предсказать – в этом случае, пользовательский ввод.
Еще одна полезная вещь в ключевом слове volatile заключается в защите от любой случайной оптимизации. Компиляторы, как выясняется, выполняют еще несколько дополнительных задач при преобразовании исходного кода программы в машинный исполняемый код. Одной из этих задач является удаление неиспользуемых в исходном коде переменных из машинного кода. Так как переменная buttonState не используется или не вызывается напрямую в функциях loop() или setup() , существует риск того, что компилятор может удалить её, как неиспользуемую переменную. Очевидно, что это неправильно – нам необходима эта переменная! Ключевое слово volatile обладает побочным эффектом, сообщая компилятору, что эту переменную необходимо оставить в покое.
Удаление неиспользуемых переменных из кода – это функциональная особенность, а не баг компиляторов. Люди иногда оставляют в коде неиспользуемые переменные, которые занимают память. Это не такая большая проблема, если вы пишете программу на C для компьютера с гигабайтами оперативной памяти. Однако, на Arduino оперативная память ограничена, и вы не хотите тратить её впустую! Даже C компиляторы для компьютеров будут поступать точно так же, несмотря на массу доступной системной памяти. Зачем? По той же причине, по которой люди убирают за собой после пикника – это хорошая практика, не оставлять после себя мусор.
Подводя итоги
Прерывания – это простой способ заставить вашу систему быстрее реагировать на чувствительные к времени задачи. Они также обладают дополнительным преимуществом – освобождением главного цикла loop() , что позволяет сосредоточить в нем выполнение основной задачи системы (я считаю, что использование прерываний, как правило, позволяет сделать мой код немного более организованным: проще увидеть, для чего разработан основной кусок кода, и какие периодические события обрабатываются прерываниями). Пример, показанный здесь, – это самый базовый случай использования прерываний; вы можете использовать для чтения данных с I2C устройства, беспроводных передачи и приема данных, или даже для запуска или остановки двигателя.
Есть какие-нибудь крутые проекты с прерываниями? Оставляйте комментарии ниже!
Прерывания и многозадачность в Arduino
Отсутствие на Arduino операционной системы совершенно не означает, что невозможно решить проблему многозадачности для этого контроллера. Для этого просто нужна своеобразная методика, частью которой является использование прерываний.
Это могут быть прерывания по таймеру или внешние прерывания, уведомляющие о событиях, воздействующих на систему извне.
Прерывания и их источники
В процессе работы управляющий процессор выполняет определенные операции, а прерывание вызывает их остановку и в соответствие с кодом заставляет выполнить операции с более высоким приоритетом.
Проще говоря, прерывания – это набор приоритетов для тех или иных процессов, исполняемых контроллером.
Этот процесс имеет название обработчик прерываний и дает возможность присоединить к себе определенную функцию. Она будет вызываться при поступлении сигнала прерывания. Процессор, вернувшись из обработчика, приступит к выполнению тех операций, в процессе исполнения которых поступил сигнал прерывания.
Источником сигнала прерывания может стать таймер Arduino или процесс изменения состояния одного из контактов (пинов). Еще одним источником может стать какой-либо вход внешних прерываний: нужный сигнал появится при изменении его состояния.
Прерывание можно заставить работать с помощью кода, который поможет отвечать на прерывание. При этом нет необходимости писать код в loop (), который используют для систематической проверки приоритета прерывания.
В момент получения сигнала процессор автоматически остановится, вызвав обработчик. При этом нет нужды беспокоиться о времени отклика на нажатие кнопки или продолжительной реакции на выполняемую программу.
Особенности прерывания по таймеру
Как же управлять временем и запускать процессы в нужном вам порядке? При работе с микросхемой Arduino для этого можно использовать millis(), ее эффективность зависит от постоянного обращения к ней. Тогда, в случае вызова этой функции, можно будет понять – наступило время определенной операции или нет.
Добиться эффективности можно при вызове millis() несколько раз в миллисекунду, но это довольно расточительно. Для вызова функции раз в миллисекунду (что является оптимальным вариантом) необходимо использовать таймер. Его можно установить на интервал в миллисекунду и добиться желаемого результата.
Микроконтроллер Arduino Uno укомплектован тремя таймерами: из них timer0 предназначен для генерации прерываний с интервалом в одну миллисекунду. При этом будет постоянно обновляться счетчик, передающий информацию функции millis(). Вести точный подсчет таймеру позволяет определенная частота, получаемая из 16 МГц процессора.
Arduino, при необходимости, позволяет произвести конфигурацию делителя частоты с подбором оптимального режима счета.
Функция timer0 оперирует тактовым делителем на 64 и изменять это значение не стоит. Оно позволяет получить частоту прерывания, близкую к 1 кГц, оптимальную для целей большинства схемотехников. Если попытаться изменить данный параметр, то можно нарушить работу функции millis().
Регистры сравнения и их роль в генерации прерывания
Регистры сравнения выполняют функцию анализа хранимых данных с текущим состоянием счетчика прерывания. Например, регистр сравнения (OCR0A) эффективно применяется для прерывания в середине счета.
Программный код, пример которого приведен ниже, позволит генерировать функцию TIMER0_COMPA при прохождении счетчика 0xAF:
Для оптимизации работы кода и микроконтроллера следует полностью отказаться от loop(). Для этого необходимо определение по вектору обработчика прерывания с помощью функции TIMER0_COMPA_vect. Благодаря ей обработчик и будет выполнять все те операции, что раньше делались в loop().
Данный код позволит вернуться к использованию функции delay(), благодаря чему все классические мерцающие светодиоды или работающие сервоприводы будут функционировать без проблем, но при этом мы получим удобный и практичный таймер.
Какие внешние воздействия вызывают прерывание
Вызвать внешние прерывания могут определенные действия из внешней среды. Это может быть простым нажатием на кнопку или срабатыванием используемого датчика. При этом нет необходимости вести постоянный опрос вывода GPIO о происходящих изменениях.
Микроконтроллер Arduino может иметь несколько пинов, способных обрабатывать внешние прерывания. Так, на плате Arduino Uno их два, а на Arduino Mega 2560 – 6. Продемонстрировать их функционал можно с помощью кнопки сброса сервопривода. Для этого при написании кода в класс Sweeper необходимо добавит функцию reset(). Она способна установить нулевое положение и перетаскивать в нее сервопривод.
Соединить обработчик с внешним прерыванием поможет другая функция – attachInterrupt(). На приведенных в качестве примеров микроконтроллерах Interrupt0 реализована на втором контакте. Она сообщает микроконтроллеру о том, что на данном входе ожидается спад сигнала.
Достаточно нажать кнопку и сигнал действительно падает до минимального уровня, вызывая обработчик Reset.
В результате, при нажатии кнопки – сервоприводы сбрасываются, возвращаясь в нулевое положение. Схема внешних прерываний простая, и с помощью приведенных в примере скетчей, можно будет получить довольно легко желаемый результат.
Полный код программы с таймерами и внешними прерываниями:
Библиотеки прерываний
У схемотехников, благодаря Всемирной паутине есть доступ к широкому кругу библиотек, которые существенно облегчат работу с таймерами. Большинство из них предназначены для тех, кто применяет функцию millis(), но есть и такие, которые позволяют произвести желаемую настройку таймеров и сгенерировать прерывания. Оптимальным вариантом для этого являются библиотеки TimerThree и TimerOne, разработанные Paul Stoffregan.
Благодаря им, схемотехники получают широкий выбор возможностей, с помощью которых можно сконфигурировать прерывания с помощью таймера. Первая из этих библиотек не работает с Adruino Uno, но прекрасно зарекомендовала себя с платами Teensy, микроконтроллерами Adruino Mega2560 и Adruino Leonardo.
Недостатком Adruino Uno является наличие всего двух ходов, предназначенных для работы с внешними прерываниями. Если требуется большее количество подобных пинов, то отчаиваться не стоит, ведь этот микроконтроллер поддерживает pin-change – прерывания по изменению входа и работает это на всех восьми входах.
Их отличие от простых внешних прерываний – в сложности обработки, так как схемотехнику требуется отслеживать последнее из известных состояний пинов. Только в этом случае можно будет понять, какой из них вызвал прерывание.
Наиболее информативное и практичной библиотекой для прерываний по изменению входа является PinChangeInt.
Прерывания: основные правила работы
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.