上一期《單片機必須了解的外設(shè)功能——GPIO/串行通信》中，我們了解了單片機的外設(shè)功能的結(jié)構(gòu)和使用方法，本文主要介紹單片機必須了解的定時器中斷功能。

　　本連載將以搭載了瑞薩電子的單片機--RX63N的電路板“GR-SAKURA”為例進行說明，請你也實際操作試試看！一手包辦有關(guān)時間和時刻的處理！

　　在單片機中，不僅頻繁地使用“○月○日○點○分”這種時刻顯示，顯示過去的時間和一定的周期這種形式也被頻繁地使用。例如，“該程序從運行開始過去了多少時間？”、“每秒輸送128次信號”等等。另外，還經(jīng)常被用于“等待指定的時間”、“經(jīng)過指定的時間后將轉(zhuǎn)移到下一個處理”這樣的情況。對這些與時間和時刻有關(guān)進行處理的外設(shè)功能就是定時器（圖1）。

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

　　另外，CPU的計時器頻率（驅(qū)動速度）也將對軟件產(chǎn)生影響。如果將100MHz驅(qū)動的CPU改為50MHz，那么循環(huán)1次所需的時間將變?yōu)樵瓉淼膬杀丁Ｒ虼耍枰獙τ嬎銜r間的軟件進行修正。如上所述，由于在管理上既花時間又容易出錯，所以要極力避免通過軟件來計算時間。

　　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器不可分割的技術(shù)——“中斷功能”。單片機中的“中斷功能”是指某個程序在執(zhí)行過程中，因某種原因而發(fā)出“開始進行其他處理”的請求。由于可以使用中斷功能，所以可使CPU不集中進行一個處理。

　　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)一直盯著時鐘看，那么這段時間內(nèi)我們就不能做其它事情。但如果用廚房定時器設(shè)定3分鐘的時間，在廚房定時器的警報響起之前我們便可以去做其它事情。在這個例子中，“一直盯著時鐘看”就相當(dāng)于前一節(jié)中所介紹的“等待經(jīng)過循環(huán)處理所指定的時間”，所以在處理結(jié)束之前不能去做其它事情。同時，廚房定時器的警報就相當(dāng)于中斷功能。在中斷發(fā)生前還可以去做其它事情。

　　單片機的外設(shè)功能中有各種各樣的定時器，這些定時器在經(jīng)過指定的時間或處理結(jié)束時向CPU發(fā)送中斷信號。不僅是定時器，很多外設(shè)功能都會在“產(chǎn)生變化”、“處理開始／結(jié)束”時將中斷信息傳送給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)于中斷功能的詳細內(nèi)容，將在本系列第4期的《外部中斷功能IRQ》中做詳細介紹。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。

　　各式各樣的定時器中，還有“看門狗定時器”！

　　在單片機的外設(shè)功能中，最貼心的定時器是計算到指定時間的定時器和每隔一段時間便發(fā)生中斷的定時器。另外，在瑞薩電子的RX63N單片機中，搭載了為控制伺服電動機而產(chǎn)生脈寬調(diào)制解調(diào)（PWM）信號的定時器、計算輸入信號間隔的定時器、顯示現(xiàn)在時刻的RTC（實時時鐘）等各種各樣的定時器。

　　在定時器中，最具特色的是WDT（看門狗定時器）。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。WDT每隔一定時間便減掉寫入的值，當(dāng)程序正常運行時，處理結(jié)束前會對WDT清零再結(jié)束。但是，如果程序失控（進入意料之外的重復(fù)狀態(tài)且無法停止）時，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，單片機中搭載的“看門狗定時器”―WDT發(fā)揮了極其重要的作用。

　　輕松嘗試使用定時器

　　雖然說：“我們就通過程序來實際使用定時器……”，但是實際上，要想熟練運用定時器，必須先理解單片機的操作步驟。而且，不僅需要了解通過軟件進行操作的步驟，還需理解單片機的硬件（結(jié)構(gòu)）以及所使用的零部件的規(guī)格等。

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

　　SAKURA 的sketch參數(shù)：櫻花程序庫時間（僅英文版）

　　在這個程序中，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)光就需要使用定時器。在上述櫻花程序庫的“時間”選項內(nèi)，有計算經(jīng)過時間的數(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)以從程序開始時經(jīng)過的時間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。

　　※//～是用于進行評價，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制文件傳送給GR-SAKURA。傳送結(jié)束后，4個LED燈將暫時熄滅后再開始執(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“定時器”。有關(guān)時間和時刻的處理，在各種場合都需要。請大家借此機會實際操作各種數(shù)據(jù)庫。

　　但是，文中的“毎秒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，就是“將雞蛋放進沸騰的熱水中，直到雞蛋煮熟的10分鐘內(nèi)要確認好幾次時鐘”的經(jīng)歷。在單片機的世界中也同樣，在等待某種狀態(tài)達成時，具有對對象進行定期檢查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O端口）的輸入從0變?yōu)?時，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是有效的。但是，進行多次檢查也會給單片機帶來負荷，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，CPU會暫時停止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而進行別的任務(wù)。也就是有別的任務(wù)“穿插”進來的意思（圖1）。當(dāng)中途穿插進來的任務(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)置定時器并繼續(xù)工作，10分鐘后定時器一響就把雞蛋從熱水中撈起。這時，定時器的鳴叫就是中斷，而“把雞蛋從熱水中撈起”就是穿插進來的工作。大家可以通過這種方式來了解中斷功能。

　　單片機中的中斷處理

　　中斷產(chǎn)生于單片機內(nèi)部和外部的各種設(shè)備。于開關(guān)和感應(yīng)器等單片機外部的中斷稱為外部引腳中斷，來自這些機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，來自單片機內(nèi)部的定時器和GPIO、串行通信設(shè)備UART等外設(shè)機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，會自動保存“從何處重啟”的出棧（POP）信息，這被稱為“進棧（PUSH）”。進棧結(jié)束后，將開始由中斷執(zhí)行的程序。該程序結(jié)束時，進棧信息將回送到CPU，這種現(xiàn)象被稱為“出棧”（圖2）。由于進棧和出棧都由CPU自動執(zhí)行，因此程序設(shè)計者不必因順序問題而費心。

　　例如，通過UART執(zhí)行串行通信時，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)情況下都對程序進行如下編程，即在信息送達時就會產(chǎn)生中斷并進行適當(dāng)?shù)奶幚恚硗猓苟〞r器產(chǎn)生中斷的情況也不在少數(shù)。進行“經(jīng)過了一定時間后該做什么”這類處理時，應(yīng)進行如下編程，即通過來自定時器的信號開始進行處理。如上所述，在有效利用單片機方面，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，就需要了解單片機的運行。由于需要深入了解，所以不能僅是進行簡單的嘗試。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）的輸入從L電平變?yōu)镠電平時，LED燈將啟動。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引腳進行定時器輸出，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間間隔發(fā)生中斷。

　　※即使已對該程序進行了匯編，在沒有將上述的IO0和IO31引腳進行連接的GR-SAKURA中也無法運行。

　　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（）定義了在某個輸入引腳出現(xiàn)某種變化時該調(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irq3（）。這樣的設(shè)定只需在setup（）中定義一次便能在整個程序中有效。除此以外，在setup（）中還記述了定時器的定義、定時器輸出引腳的設(shè)定、LED輸出的設(shè)定等初始條件。

　　沒有通過loop（）函數(shù)進行的處理。取而代之的是由irq3（）這個函數(shù)進行處理。從這個函數(shù)來看是看不出它是從程序中調(diào)用的。但是，正是由于這個函數(shù)，才能使中斷信號進入IO31引腳時使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“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，相反側(cè)的邊緣的LED亮燈或滅燈）。

　　為了應(yīng)對不知何時會發(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行，從而可降低功耗。也可以說，為了真正有效地利用單片機，這是一項不可缺少的技術(shù)。