Аппаратные прерывания
Забавную картинку к этому уроку я найти не смог, нашёл только какую-то лекцию по программированию, и вот самое начало этой лекции отлично объясняет нам, что такое прерывание. Прерывание в Ардуино можно описать абсолютно точно так же: микроконтроллер “всё бросает”, переключается на выполнение блока функций в обработчике прерывания, выполняет их, а затем возвращается ровно к тому месту основного кода, в котором остановился.
Прерывания бывают разные, то есть не сами прерывания, а их причины: прерывание может вызвать аналогово-цифровой преобразователь, таймер-счётчик или буквально пин микроконтроллера. Такие прерывания называются внешними аппаратными, и именно о них мы сегодня поговорим.
External hardware interrupt – это прерывание, вызванное изменением напряжения на пине микроконтроллера. Основная суть состоит в том, что микроконтроллер (вычислительное ядро) не занимается опросом пина и не тратит на это время, пином занимается другая “железка”. Как только напряжение на пине изменяется (имеется в виду цифровой сигнал, +5 подали/+5 убрали) – микроконтроллер получает сигнал, бросает все дела, обрабатывает прерывание, и возвращается к работе. Зачем это нужно? Чаще всего прерывания используются для детектирования коротких событий – импульсов, или даже для подсчёта их количества, не нагружая основной код. Аппаратное прерывание может поймать короткое нажатие кнопки или срабатывание датчика во время сложных долгих вычислений или задержек в коде, т.е. грубо говоря – пин опрашивается параллельно основному коду. Также прерывания могут будить микроконтроллер из режимов энергосбережения, когда вообще практически вся периферия отключена. Посмотрим, как работать с аппаратными прерываниями в среде Arduino IDE.
Прерывания в Arduino
Начнём с того, что не все пины “могут” в прерывания. Да, есть такая штука, как pinChangeInterrupts, но о ней мы поговорим в продвинутых уроках. Сейчас нужно понять, что аппаратные прерывания могут генерировать только определённые пины:
| МК / номер прерывания | INT 0 | INT 1 | INT 2 | INT 3 | INT 4 | INT 5 |
| ATmega 328/168 (Nano, UNO, Mini) | D2 | D3 | – | – | – | – |
| ATmega 32U4 (Leonardo, Micro) | D3 | D2 | D0 | D1 | D7 | – |
| ATmega 2560 (Mega) | D2 | D3 | D21 | D20 | D19 | D18 |
Как вы поняли из таблицы, прерывания имеют свой номер, который отличается от номера пина. Есть кстати удобная функция digitalPinToInterrupt(pin), которая принимает номер пина и возвращает номер прерывания. Скормив этой функции цифру 3 на Ардуино нано, мы получим 1. Всё по таблице выше, функция для ленивых.
Подключается прерывание при помощи функции attachInterrupt(pin, handler, mode):
- pin – номер прерывания
- handler – имя функции-обработчика прерывания (её нужно создать самому)
- mode – “режим” работы прерывания:
- LOW (низкий) – срабатывает при сигнале LOW на пине
- RISING (рост) – срабатывает при изменении сигнала на пине с LOW на HIGH
- FALLING (падение) – срабатывает при изменении сигнала на пине с HIGH на LOW
- CHANGE (изменение) – срабатывает при изменении сигнала (с LOW на HIGH и наоборот)
Также прерывание можно отключить при помощи функции detachInterrupt(pin), где pin – опять же номер прерывания.
А ещё можно глобально запретить прерывания функцией noInterrupts() и снова разрешить их при помощи interrupts(). Аккуратнее с ними! noInterrupts() остановит также прерывания таймеров, и у вас “сломаются” все функции времени и генерация ШИМ.
Давайте рассмотрим пример, в котором в прерывании считаются нажатия кнопки, а в основном цикле они выводятся с задержкой в 1 секунду. Работая с кнопкой в обычном режиме, совместить такой грубый вывод с задержкой – невозможно:
volatile int counter = 0; // переменная-счётчик
void setup() {
Serial.begin(9600); // открыли порт для связи
// подключили кнопку на D2 и GND
pinMode(2, INPUT_PULLUP); \
// D2 это прерывание 0
// обработчик - функция buttonTick
// FALLING - при нажатии на кнопку будет сигнал 0, его и ловим
attachInterrupt(0, buttonTick, FALLING);
}
void buttonTick() {
counter++; // + нажатие
}
void loop() {
Serial.println(counter); // выводим
delay(1000); // ждём
}
Итак, наш код считает нажатия даже во время задержки! Здорово. Но что такое volatile? Мы объявили глобальную переменную counter, которая будет хранить количество нажатий на кнопку. Если значение переменной будет изменяться в прерывании, нужно сообщить об этом микроконтроллеру при помощи спецификатора volatile, который пишется перед указанием типа данных переменной, иначе работа будет некорректной. Это просто нужно запомнить: если переменная меняется в прерывании – делайте её volatile.
Ещё несколько важных моментов:
- Переменные, изменяемые в прерывании, должны быть объявлены как volatile
- В прерывании не работают задержки типа delay()
- В прерывании не меняет своё значение millis() и micros()
- В прерывании некорректно работает вывод в порт (Serial.print()), также не стоит там его использовать – это нагружает ядро
- В прерывании нужно стараться делать как можно меньше вычислений и вообще “долгих” действий – это будет тормозить работу МК при частых прерываниях! Что же делать? Читайте ниже.
Если прерывание отлавливает какое-то событие, которое необязательно обрабатывать сразу, то лучше использовать следующий алгоритм работы с прерыванием:
- В обработчике прерывания просто поднимаем флаг
- В основном цикле программы проверяем флаг, если поднят – сбрасываем его и выполняем нужные действия
volatile boolean intFlag = false; // флаг
void setup() {
Serial.begin(9600); // открыли порт для связи
// подключили кнопку на D2 и GND
pinMode(2, INPUT_PULLUP);
// D2 это прерывание 0
// обработчик - функция buttonTick
// FALLING - при нажатии на кнопку будет сигнал 0, его и ловим
attachInterrupt(0, buttonTick, FALLING);
}
void buttonTick() {
intFlag = true; // подняли флаг прерывания
}
void loop() {
if (intFlag) {
intFlag = false; // сбрасываем
// совершаем какие-то действия
Serial.println("Interrupt!");
}
}
Это в принципе всё, что нужно знать о прерываниях, более конкретные случаи мы разберём в продвинутых уроках.
Видео
Важные страницы
- Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
- Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
- Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
- Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
- Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете