Arduino程序控制之中断

什么是中断？

中断是现代计算机系统中一个非常核心的概念，它解决了传统轮询方式的诸多弊端，使得系统能够更高效、更及时地响应各种事件。

为什么要有中断？

想象一下你正在厨房里做饭。传统轮询（Polling）的方式就像你每隔几秒钟就去看一眼烤箱里的蛋糕好了没，或者水烧开了没。这个过程非常耗费精力，而且你还得不断地重复这个动作，无法去做其他事情。

而中断（Interrupts）则像是你给烤箱和水壶设置了定时器，或者安装了报警器。当蛋糕烤好或者水烧开时，它们会发出响声，主动通知你。这时，你就可以立即放下手头的事情，去处理这个紧急的状况。处理完后，你再回来继续做之前的事情。

在计算机世界中，中断的存在有以下几个主要原因：

• 提高CPU效率： 没有中断，CPU需要不断地检查外部设备或内部状态（比如，串口有没有数据、按钮有没有按下、定时器时间到没到）。这种持续的检查叫做“轮询”。轮询会浪费大量的CPU时间，因为在绝大多数情况下，设备并没有准备好，CPU只是在空转等待。中断机制允许CPU在没有事件发生时执行其他有用的任务，只有当事件发生时才被“打断”去处理。
• 实时响应： 某些事件需要立即处理，比如紧急停止按钮、传感器阈值报警等。轮询可能会导致响应延迟，因为CPU可能在检查其他地方，直到下一次轮询到这个事件才能发现。中断可以确保系统对关键事件做出即时响应。
• 并发性： 中断使得CPU能够在处理一个任务的同时，也能对突发事件做出反应。比如，Arduino正在执行一个复杂的计算，但同时检测到按钮被按下，中断机制就能让它暂停计算，处理按钮事件，然后回到计算中。这模拟了一种并发执行的能力。
• 简化编程： 没有中断，开发者需要编写复杂的轮询逻辑来管理多个设备和事件，代码会变得非常复杂且难以维护。中断将事件处理逻辑封装到中断服务程序 (ISR) 中，使代码结构更清晰。

中断的使用场景

中断在嵌入式系统（如 Arduino）和更复杂的计算机系统中都有广泛的应用。以下是一些常见的Arduino中断使用场景：

• 外部事件响应：
  • 按钮输入： 检测用户按下按钮，如开关LED、改变模式、启动/停止某个功能等。这是最常见的外部中断使用场景，比轮询更加灵敏和可靠。
  • 传感器触发： 当传感器（如红外传感器、超声波传感器、门磁传感器）检测到特定事件（如有人经过、障碍物靠近、门被打开）时，立即触发动作。
  • 编码器读取： 准确检测旋转编码器的脉冲，用于测量角度、速度或位置。
  • 通信协议： 在一些低速或自定义通信协议中，可以用中断来检测数据线的边沿变化，从而接收数据。
• 精确时间控制：
  • 定时任务： 以精确的时间间隔定期执行某个任务，如数据采样、PID控制循环、发送数据包等。这通常通过定时器中断实现。
  • 生成PWM信号： 虽然Arduino的analogWrite()函数已经集成了PWM，但通过定时器中断可以生成更灵活、更高精度的PWM信号。
  • 频率测量： 通过中断来测量外部信号的频率或周期。
• 节能：在一些低功耗应用中，微控制器可以在大部分时间进入睡眠模式。只有当外部事件发生时（如按下按钮或接收到数据），中断才能唤醒微控制器进行处理，从而大大降低功耗。
• 避免阻塞：当程序中有需要等待外部事件发生（如等待用户输入）才能继续执行的部分时，使用中断可以避免程序在等待过程中“卡住”（阻塞）。主程序可以继续执行其他任务，直到中断通知事件发生。

总之，中断是嵌入式编程中不可或缺的工具，它让你的Arduino项目能够更智能、更高效地与外部世界交互，并实现复杂的时序控制。

Arduino 的中断

Arduino 中断是一种强大的机制，可以让你编写的程序更高效地响应事件，而不是持续地循环检测。这对于处理时间敏感的任务和优化处理器利用率非常有益。我们将一起学习两种主要的中断类型：外部中断和定时器中断。

外部中断

外部中断允许你的 Arduino 在特定的外部事件发生时（例如按钮按下、传感器触发等）立即暂停当前正在执行的代码，并跳转到一个专门的函数（称为中断服务程序，或 ISR）来处理这个事件。这意味着你不再需要通过 loop() 函数不断地检查某个引脚的状态，从而节省了处理器资源并提高了响应速度。

外部中断的工作原理

• 中断引脚： Arduino 板子上有特定的引脚被配置为外部中断引脚。当这些引脚上的电平发生变化时，会触发中断。
• 中断触发模式： 你可以设置中断在何时触发：
  • LOW: 当引脚为低电平时触发。
  • CHANGE: 当引脚电平发生变化时（从高到低或从低到高）触发。
  • RISING: 当引脚电平从低到高跳变时触发。
  • FALLING: 当引脚电平从高到低跳变时触发。
• 中断服务程序 (ISR)： 当中断被触发时，处理器会立即跳转到你指定的 ISR 函数。在 ISR 中，你应该执行尽可能少且快速的代码，因为在 ISR 执行期间，其他中断默认是禁用的，并且 delay() 函数和一些库函数可能无法正常工作。

如何使用外部中断

使用外部中断主要涉及两个函数：

• attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode): 这个函数用于将一个特定的引脚与一个 ISR 函数关联起来，并指定触发模式。
  • digitalPinToInterrupt(pin): 将数字引脚号转换为中断号。
  • ISR: 你要执行的中断服务函数的名称。
  • mode: 中断触发模式（LOW, CHANGE, RISING, FALLING）。
• detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin)): 这个函数用于禁用特定引脚上的中断。

示例：按钮控制 LED

让我们通过一个例子来学习如何使用外部中断。我们将用一个按钮来控制一个 LED 的开关状态。当按钮被按下时，LED 的状态会反转。

const int buttonPin = 2;    // 按钮连接到数字引脚 2
const int ledPin = 13;      // LED 连接到数字引脚 13 (内置 LED)

volatile bool ledState = false; // 使用 volatile 关键字，因为这个变量会在中断中修改

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); // 使用内部上拉电阻

  // 将引脚 2 (中断 0) 附加到 buttonISR 函数，在按钮按下 (FALLING 模式) 时触发
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonISR, FALLING);

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("外部中断示例：按钮控制 LED");
}

void loop() {
  // 在 loop 中执行其他任务
  // 中断会在后台自动处理按钮事件
  digitalWrite(ledPin, ledState);
}

// 中断服务程序 (ISR)
void buttonISR() {
  // 简单地反转 LED 状态
  ledState = !ledState;
  Serial.print("按钮被按下！LED 状态：");
  Serial.println(ledState ? "ON" : "OFF");
}

代码解释：

• buttonPin 连接到数字引脚 2，因为大多数 Arduino 板（如 Uno）将数字引脚 2 和 3 分配为外部中断引脚（中断 0 和 1）。
• INPUT_PULLUP 将按钮引脚配置为输入并启用内部上拉电阻，这样当按钮未按下时引脚为高电平，按下时为低电平。
• volatile bool ledState = false;：volatile 关键字告诉编译器 ledState 变量可能会在程序正常流程之外被修改（即在 ISR 中），因此编译器不会对其进行不必要的优化，确保每次访问都从内存中读取最新值。
• attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonISR, FALLING);：当 buttonPin 检测到从高电平到低电平的下降沿时（即按钮被按下），buttonISR 函数将被调用。
• buttonISR() 函数只执行一个简单的任务：反转 ledState 的值。

定时器中断

定时器中断允许你以精确的间隔定期执行一个任务，而无需在 loop() 函数中使用 delay() 或 millis() 进行复杂的计时。这对于需要周期性采样数据、生成 PWM 信号或执行后台任务非常有用。

定时器中断的工作原理

Arduino 内部有多个定时器/计数器 (Timer/Counter) 硬件模块。这些定时器可以配置为以特定的频率计数，当计数达到预设值时，它们可以触发一个中断。

• 定时器配置：你可以配置定时器的工作模式（例如，正常模式、CTC 模式等）、预分频器（分频时钟以降低计数速度）和比较值。
• 比较匹配中断：当定时器计数到预设的比较值时，会触发一个中断。
• 溢出中断：当定时器计数到最大值并溢出时，会触发一个中断。

如何使用定时器中断

直接操作 AVR 单片机的寄存器来配置定时器中断会比较复杂。幸运的是，有一些库可以简化这个过程，例如 TimerOne 或 MsTimer2。这里我们以 TimerOne 库为例，因为它提供了相对直观的接口来配置定时器1（通常是 16 位定时器，可以实现更长的定时）。

首先，你需要安装 TimerOne 库。在 Arduino IDE 中，通过 Sketch -> Include Library -> Manage Libraries… 搜索并安装 “TimerOne”。

示例：LED 闪烁

我们将使用 TimerOne 库让一个 LED 每秒闪烁一次，而不是使用 delay()。

#include <TimerOne.h> // 包含 TimerOne 库

const int ledPin = 13;      // LED 连接到数字引脚 13

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  // 初始化 TimerOne，设置中断周期为 1,000,000 微秒 (1 秒)
  Timer1.initialize(1000000);

  // 将 timerIsr 函数附加到 Timer1 的中断
  Timer1.attachInterrupt(timerIsr);

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("定时器中断示例：LED 闪烁");
}

void loop() {
  // 在 loop 中执行其他任务
  // LED 的闪烁由定时器中断在后台处理
}

// 定时器中断服务程序 (ISR)
void timerIsr() {
  // 反转 LED 状态
  digitalWrite(ledPin, !digitalRead(ledPin));
}

代码解释：

• #include <TimerOne.h>: 包含了 TimerOne 库。
• initialize(1000000);: 初始化 Timer1，并设置中断周期为 1,000,000 微秒（即 1 秒）。
• attachInterrupt(timerIsr);: 将 timerIsr 函数设置为 Timer1 的中断服务程序。每当定时器计数达到预设的周期时，timerIsr 就会被调用。
• timerIsr() 函数简单地反转了 LED 的状态。

中断使用的注意事项

在使用中断时，有一些重要的注意事项需要牢记：

• ISR 应该尽可能短和快： 在 ISR 中执行的代码应该尽可能少。长时间的 ISR 会阻塞其他中断的执行，并可能导致数据丢失或系统不稳定。
• 避免在 ISR 中使用 delay()： delay() 函数依赖于定时器，而在 ISR 中定时器可能会被暂停或重新配置，导致 delay() 无法正常工作。
• 避免在 ISR 中使用串行通信： 串行通信函数（如print()）也可能很慢，不适合在 ISR 中使用。如果你需要在 ISR 中调试，可以考虑通过改变引脚状态来指示事件发生。
• 使用 volatile 关键字： 任何在 ISR 中修改并在 loop() 或其他函数中使用的变量，都应该用 volatile 关键字声明，以确保编译器不会对其进行不当优化。
• 临界区： 如果 ISR 和主程序都访问同一个变量，并且该变量是多字节的（如 long 或 float），那么在主程序访问该变量时，应该暂时禁用中断 (noInterrupts())，并在访问完成后重新启用中断 (interrupts())，以避免数据损坏。

volatile long counter = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // ... 其他设置
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), myISR, RISING);
}

void loop() {
  // 禁用中断，读取 counter
  noInterrupts();
  long currentCounter = counter;
  interrupts(); // 重新启用中断

  Serial.println(currentCounter);
  delay(1000);
}

void myISR() {
  counter++;
}