Програмирование в AVR Studio 5 с самого начала. Часть 7

Поговорим о прерываниях. Слово прерывание говорит само за себя, происходит остановка какого — то процесса на какое — то время, для того чтобы выполнить дополнительные действия. Прерывания могут быть внешними или внутренними. Приведу простой пример, услышанный из уст моего друга…

Собрался он помыть посуду на кухне, взялся с азартом, засучив рукава…но посуда оказалась жирной и он был вынужден прерваться, чтобы найти на одной из полок кухонного гарнитура средство для мытья жирной посуды, после чего снова продолжил свое занятие. Но в какой-то момент зазвонил телефон, и он опять прервался от своей работы, поднял трубку, звонила теща и сказала, что придет в гости, значит надо сходить в магазин купить продукты к ее приходу. Сходил в магазин и только после этого домыл посуду.

На этом примере видно два вида прерываний, первое – связано с выполнением основной работы — поиск средства для жирной посуды -внутреннее прерывание, второе – телефонный звонок – внешнее прерывание.
В микроконтроллере внешние прерывания возникают за счет сигналов поступающих от других источников, внутренние – за счет устройств встроенных в сам микроконтроллер. Чем же так привлекательны прерывания?
Первое — это то, что мы можем остановить основной процесс для выполнения каких либо других функции, с последующим продолжением этого процесса.
Вторым, и наверное во многих случаях основным считается ускорение процесса выполнения всех функций, за счет внутренних дополнительных устройств. Вернемся к нашему примеру. Допустим, мой друг взялся мыть посуду, когда его жена уже пришла домой. Увидев жирную посуду, он просит ее найти средство для мытья посуды, и пока он моет, она уже принесет ему это средство. Но, вот зазвонил телефон, трубку поднимет жена, поговорит с мамой и сходит в магазин. Совместно все дела сделаны очень быстро!
А еще проще зациклится – т.е. основной программы нет.
Мой друг сидит на диване и ничего не делает, домоработница увидев грязную посуду, говорит ему об этом, и получив разрешение, начинает мыть сама. Когда звонит телефон, он говорит жене, чтобы она подняла трубку, жена разговаривает по телефону, и поле разговора идет в магазин за продуктами… Красота! В таком случае в микроконтроллере одновременно работают несколько устройств ввода-вывода (в современных микроконтроллерах их может быть достаточно много) и общая производительность процессора возрастает во много раз, но прерывания от устройств обрабатываются последовательно одно за другим (не одновременно), в зависимости от приоритета (в нашем примере жена имеет больший приоритет, нежели домоработница).

За управление прерываниями отвечают несколько регистров
SREG –регистр статуса (состояния). Смотрим таблицу устройств ввода-вывода. Седьмой бит регистра SREG –флаг I (interrupt), который называется флагом глобального разрешения прерываний. Если флаг опущен (седьмой бит равен нулю), то все прерывания запрещены. Если флаг поднять (установить I в 1), мы разрешим прерывания.

Устанавливается и сбрасывается флаг I командами:
SEI — разрешить прерывания
CLI — запретить прерывания
Какие из прерываний будут работать, задается с помощью регистров называемых – масками прерываний.
Обозначаются маски прерываний следующим образом:
TIMSK,..,..,.. – управление прерываниями от таймеров и других встроенных устройств.
GIMSK (GIKR в семействе Mega) — управление всеми внешними прерываниями.
Маски прерываний в свою очередь зависят от флагов прерываний:
TIFR и GIFR соответственно (не путайте с флагом глобального разрешения прерываний).

Последовательность выполнения прерываний:
При включении микроконтроллера все флаги прерываний сброшены в 0. Для включения прерываний программа должна установить флаг I регистра SREG в 1. После этого прописать регистры маски с установленными локальными прерываниями (прерывания, которые нам нужны).
Когда приходит (сигнал) запрос на прерывание, то он поднимает флаг прерывания (даже в том случае если прерывание запрещено, для организации вложенных прерываний и приоритета между разными прерываниями). Если нет запрета прерываний, то контроллер обратится к соответствующему (Interrupt Vectors) — вектору прерываний, приостанавливая текущую программу.
Вектор прерывания – это фиксированная строка программной области, куда переходит программа в случае возникновения прерывания.
Весь список векторов прерывания – называется таблицей векторов прерывания, который располагается в начале программного кода.
Итак, в момент обращения к вектору прерывания, флаг I регистра SREG и флаг вызвавший прерывание сбрасывается в 0, запрещая другие прерывания. Если в процессе выполнения прерывания, возникли другие запросы прерываний, флаги этих прерываний остаются поднятыми. По окончании выполнения текущего прерывания флаг I регистра SREG поднимается, разрешая выполнение следующего. Если пришли несколько запросов, и их флаги окажутся поднятыми то первым будет выполнено прерывание, чей вектор меньше по адресу в таблице, ближе к началу памяти. За ним второй, и так далее. Кроме этого программист может организовать так называемое вложенное прерывание, когда в процессе выполнения программы прерывания возникает еще одно прерывание. Тогда прекращается выполнение текущего прерывания и выполняется новое, после завершения которого, возобновляется выполнение остановленного прерывания.

В качестве примера приведена таблица векторов прерывания для ATtiny2313


Таблица векторов прерывания для Атмега16 выглядит следующим образом:


При сравнении, таблицы совершенно не совпадают.
В семействе ATtiny строка вектора прерывания занимает 16 бит, а в семействе Mega занимают 32 бита (обратите внимание на адреса векторов прерывания, напомню, что адресная строка в программной области представлена 16 битным словом).

Программный код для ATtiny2313 может выглядеть следующим образом:

.cseg
.org 0

rjmp Reset
rjmp INT_0
rjmp INT_1
rjmp Timer1_capt1
rjmp Timer1_comp1
rjmp Timer1_OVF1
rjmp Timer0_OVF0
rjmp UART_RX
rjmp UART_UDRE
rjmp UART_TX
rjmp ANA_COMP
rjmp PCINT
rjmp Timer1_compB
rjmp Timer0_compA
rjmp Timer0_compB
rjmp USI_START
rjmp USI_OVERFLOW
rjmp EE_READY
rjmp WDT_ OVERFLOW

Как видно, вектор прерывания создает относительный переход на метки программ прерываний. Ниже в таблице показаны варианты; 1. Когда нет прерываний; 2, 3. с внешним прерыванием по входу INT_1.
Если метки «пустые” (под меткой нет программы), то ничего не происходит, и программа последовательно «пробежавшись” по оставшимся меткам благополучно доходит до команды RETI- Interrupt return — выход из обработчика прерывания как показано в первом столбце таблицы.


Чтобы выполнить программу прерывания, например по входу INT_1, нужно метку INT_1: вынести из списка. Это схематично показано во втором столбце таблицы.
Но, программисту неудобно каждый раз прописывать все прерывания и отдельно метки к ним, особенно в последних моделях, где таблица достаточно большая, проще в строке вектора прерывания сразу написать команду RETI, если прерывание не используется. Тогда программа будет выглядеть, как показано в третьем столбце таблицы.

В AVR-контроллерах в зависимости от модели может быть от 1 до 8 входов внешних прерываний.
Рассмотрим систему управления внешними прерываниями. Для этого предусмотрены следующие комбинации I/O-регистров в зависимости от модели (см. соответствующий DataSheet):
 — GIMSK, EIFR, PCMSK, MCUCR;
 — GIKR, GIFR, MCUCR;
 — EIMSK, EICR, EIFR;
GIMSK, GIKR, EIMSK — маски прерываний,
EIFR, PCMSK, GIFR, EIFR – флаги прерываний
Для разрешения или запрещения внешних прерываний предназначены управляющие регистры: GIMSK-(General Interrupt Mask Register)(Tiny), GICR- (General Interrupt Control Register)(Mega), MCUCR – (MCU Control Register)

Tiny


и соответствующий ему регистр флагов

EIFR- External Interrupt Flag Register: 1- разрешено, 0 – запрещено. Каждый бит (флаг) разрешает соответствующему выводу работать в качестве источника прерываний.

Биты управления регистра GIMSK:
Бит 7 – INT1: External Interrupt Request 1 Enable – бит разрешения прерывания INT1: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT1 настроен как выход. Бит INT1 настраиваются на прерывание в регистре флагов EIFR. Вывод INT1 синхронизирован с тактовым генератором.

Бит 6 – INT0: External Interrupt Request 0 Enable — бит разрешения прерывания INT0: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT0 настроен как выход. Бит INT0 настраиваются на прерывание в регистре флагов EIFR. Вывод INT10 синхронизирован с тактовым генератором.



Бит 5 – PCIE: Pin Change Interrupt Enable – бит разрешения прерывания на выводах PCINT0…7: 1- разрешено, 0 – запрещено. Любое изменение на любом из выводов PCINT0…7 будет формировать прерывание. Выводы PCINT0…7 настраиваются на прерывание индивидуально, битами в регистре флагов PCMSK.

PCMSK — Pin Change Mask Regiser — регистр флагов PCMSK: 1- разрешено, 0 – запрещено. Каждый бит (флаг) разрешает соответствующему выводу работать в качестве источника прерываний. Выводы PCINT0…7 не синхронизированы с тактовым генератором, т.е. прерывание наступает по факту изменения на любом из выводов.


Mega8

и соответствующий ему регистр флагов

GIFR– General Interrupt Flag Register: 1- разрешено, 0 – запрещено. Каждый бит (флаг) разрешает соответствующему выводу работать в качестве источника прерываний.

Биты управления регистра GICR:
Бит 7 – : External Interrupt Request 1 Enable – бит разрешения прерывания INT1: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT1 настроен как выход. Бит INT1 настраиваются на прерывание в регистре флагов GIFR

Бит 6 – INT0: External Interrupt Request 0 Enable — бит разрешения прерывания INT0: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT0 настроен как выход. Бит INT0 настраиваются на прерывание в регистре флагов GIFR

Mega16



GIFR– General Interrupt Flag Register: 1- разрешено, 0 – запрещено. Каждый бит (флаг) разрешает соответствующему выводу работать в качестве источника прерываний.

Биты управления регистра GICR:
Бит 7 – : External Interrupt Request 1 Enable – бит разрешения прерывания INT1: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT1 настроен как выход. Бит INT1 настраиваются на прерывание в регистре флагов GIFR

Бит 6 – INT0: External Interrupt Request 0 Enable — бит разрешения прерывания INT0: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT0 настроен как выход. Бит INT0 настраиваются на прерывание в регистре флагов GIFR

Бит 5 – INT2: External Interrupt Request 2 Enable — бит разрешения прерывания INT2: 1 – разрешено, 0 – запрещено. Прерывание будет формироваться, даже если вывод INT2 настроен как выход. Бит INT2 настраиваются на прерывание в регистре флагов GIFR


Функциями входов INT0 и INT1во всех контроллерах управляют младшие биты регистра MCUCR

MCUCR– MCU Control Register
Биты управления:
Биты 1, 0 – ISC01, ISC00 (Interrupt Sense Control 0 Bit 1 and Bit 0) – состояние данных битов определяет событие на выводе INT0, при котором формируется прерывание INT0:
ISC01=0, ISC00=0 – уровень логического нуля;
ISC01=0, ISC00=1 – любая смена логического состояния;
ISC01=1, ISC00=0 – по спадающему фронту;
ISC01=1, ISC00=1 – по нарастающему фронту.

Биты 3, 2 – ISC11, ISC10 (Interrupt Sense Control 1 Bit 1 and Bit 0) – состояние данных битов определяет уровень сигнала на выводе INT1, по которому формируется прерывание INT1:
ISC11=0, ISC10=0 – уровень логического нуля;
ISC11=0, ISC10=1 – любая смена логического состояния;
ISC11=1, ISC10=0 – по спадающему фронту;
ISC11=1, ISC10=1 – по нарастающему фронту.


Ну вот, вроде как с минимумом о внешних прерываниях поговорили.
Понятно, что для того, чтобы прерывания работали, нужно соответственно их прописывать.
Допишем начатую для tiny, инициализацию прерывания на INT1 по возрастающему фронту сигнала:

ldi r16,0x80    ; запишем в r16 число 0b10000000
ldi r17,0x0C    ; запишем в r17 число 0b00001100
out MCUCR,r17   ; прерывание сформируется по нарастающему фронту ISC11=1, ISC10=1
out GIMSK,r16    ; выставим маску INT0
sei

Кстати на tiny2313 можно сформировать прерывание на любых выводах PCINT0…7, на Mega до 48 серии эти возможности отсутствуют…
Есть такие операции, при выполнении которых, возникшие прерывания могут вызвать сбой программы. В таких случаях перед началом выполнения операции пишем CLI, а после SEI. Называются такие операции – атомарными.
Желательно, чтобы программы прерываний были компактными и выполнялись с максимальной скоростью, потому, что целью любых прерываний является фиксация события. Если по разным причинам программа выполняется медленно, то достаточно зафиксировать событие и обработать его чуть позже.

Чтобы не загромождать лишней информацией изложенный материал, рекомендую читателям пользоваться даташитами, а если не все понятно, то чаще задавать вопросы на форумах.
Дальше, подробно рассмотрим внутренние прерывания на основе встроенных таймеров.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации