Note-12.Arduino硬件中断，PCI中断，定时器中断-佳闻众创资源网

很多时候我们都会使用到微控制器，基于其具备的特点

微控制器可以处理多个输入和输出。
微控制器可以提供精确的定时脉冲。
微控制器速度快。

正因为微控制器的特点，能处理多个输入，能做很多事情，因此微控制器将很忙碌。而忙碌的微控制器需要一种方式来管理外部事件，比如按钮按下，同时兼顾其他输入和输出定时处理。

中断是Arduino和其他微控制器的一个非常重要的基本特性，是能够保持对外部输入或内部计时事件的控制的一种方法。

中断是如何工作的

中断顾名思义，就是中断当前程序执行以便处理其他事情的方法。中断不是微控制器所独有的，它们已经在计算机和控制器中使用了几十年。当在键盘上输入、移动鼠标或在触摸屏上滑动时，都会触发中断和中断服务程序，从而对操作产生适当的响应。

中断的工作流程

一个程序正在运行
产生一个中断
程序被暂停同时其相应数据被存放在一边，以便稍后恢复。
运行与中断相关的代码。
当中断代码完成时，程序从它暂停的地方恢复。

中断对于监测间歇性发生的开关按下或警报触发等事件非常有用。当需要精确测量输入脉冲时，它们也是合适的选择。

微控制器和微处理器使用的中断有很多种，不同模型的中断特性各不相同。它们可以大致分为两类:

硬件中断——这些中断通常来自外部信号。
软件中断——这些是内部信号，通常由计时器或软件相关事件控制。

Arduino Uno 中断

Arduino程序执行流程

Arduino程序执行流程

Arduino Uno支持三种中断类型：

硬件中断——特定引脚上的外部中断信号。
引脚改变中断（PCI，Pin Change Interrupts）——在任何引脚上的外部中断，以端口分组。
定时器中断——内部定时器产生的中断，在软件中操作。

当中断产生时，需要一个中断服务程序（isr，Interrupt Service Routine）对其进行处理，并且ISR只在中断发生时运行。

中断服务程序

中断服务程序(ISR)本质上是一个函数。但与常规Arduino函数不同：

不能向ISR传递参数
不能从ISR获得任何返回值
应当尽可能的快

不能使用delay()函数
不能使用millis()函数
不能使用Serial库，因此不能打印到串行监视器
只使用全局变量，全局变量应该声明为volatile类型

为何需要使用中断

下面将通过2个按钮控制LED亮灭的示例来展现为何需要使用中断。

示例1：通过按钮控制led亮灭。

示例1：通过按钮控制led亮灭

代码

// 定义LED和按钮引脚

const byte ledPin = 13;

const byte buttonPin = 2;

// 定义布尔变量用于记录开关状态

// volatile为类型修饰符，常用于中断ISR全局变量

volatile bool togglestate = false;

// 检测按钮状态，并控制LED亮灭

void checkSwitch() {

if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {

delay(200);

// 如果按钮按下，则翻转开关状态变量的值

toggleState = !toggleState;

// 控制led

digitalWrite(ledPin,toggleState);

}

void setup() {

// 设置LED引脚为输出模式

pinMode(ledPin, OUTPUT);

// 设置按钮引脚为上拉输入模式

pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);

}

void loop() {

// 调用按钮检测函数

checkSwitch();

}

上传程序，按钮能完美控制led的亮灭。

示例2：在示例1的基础上增加了一个延时，再来看看按钮是否能有效的控制led的亮灭。

代码

const byte ledPin = 13;

const byte buttonPin = 2;

volatile bool toggleState = false;

void checkSwitch() {

if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {

delay(200);

toggleState = !toggleState;

digitalWrite(ledPin, toggleState);

}

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

checkSwitch();

// 增加一个5秒的延时

Serial.println("延时开始");

delay(5000);

Serial.println("延时结束");

Serial.println("…………..");

}

上传程序，可以发现一个问题就是：按钮好像失效了，只能偶然在延时的间隙能幸运触发按钮翻转led的状态。为了解决这个问题，最好的方式是使用中断。

硬件中断

硬件中断是外部中断，在大多数Arduino型号上都限于特定的引脚。这些引脚被配置为输入，可以通过操纵它们的逻辑状态触发硬件中断。

Arduino硬件中断引脚

Arduino UNO只有2个硬件中断引脚

Pin2：INT0
Pin3：INT1

不同型号的arduino主板中断引脚和数量不一样

不同型号的arduino主板中断引脚

使用硬件中断主要包括两个步骤

编写一个中断服务程序ISR（Interrupt Service Routine）
将ISR函数附加到特定中断，并指定触发方式。

attachInterrupt()函数

通常在setup()中调用attachInterrupt()函数

attachInterrupt()函数

因为中断号不同于引脚号，最简单的方式是使用digitalPinToInterrupt()函数

digitalPinToInterrupt()函数

示例3：使用硬件中断重写示例2项目，验证是否能有效触发按钮事件，控制led亮灭

const byte ledPin = 13;

const byte buttonPin = 2;

volatile bool toggleState = false;

// ISR中相比前面示例移除了200ms延时，因为在ISR中不能使用delay()函数

void checkSwitch() {

if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {

toggleState = !toggleState;

digitalWrite(ledPin, toggleState);

}

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);

// 附件中断处理函数，并指定中断触发模式为FALLING，即按下按钮时触发中断

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin),checkSwitch, FALLING);

}

void loop() {

Serial.println("延时开始");

delay(5000);

Serial.println("延时结束");

Serial.println("…………..");

}

注意，volatile修饰的布尔变量，它的值是在中断服务例程中被操作的。如果没有volatile，Arduino IDE编译器可能会尝试过度优化代码并删除变量。

结论：通过上述3个示例的对比，可以了解为什么需要使用中断。

PCI中断（Pin Change Interrupts）

引脚变更中断（PCI）是硬件中断的另一种形式。它不局限于特定的引脚，所有的引脚都可以用于引脚变更中断。

PCI中断是以端口形式分组的，同一端口的所有引脚产生相同的引脚变更中断，因此如果同端口下多个引脚都会产生中断，则需要自行在中断服务程序中进行引脚识别，以便响应正确的中断事件和正确的处理方式。

PCI中断的模式为CHANGE，因此对于按钮来说，按下和释放按钮会产生2次PCI中断。

Arduino UNO支持PCI的端口组

Arduino UNO支持PCI的端口组

如何使用PCI中断

确定需要使用PCI中断的引脚（同时即确定了所在端口组port）
启用对应端口组port中断。

需要使用PCI控制寄存器（PCICR，Pin Change Interrupt Control Register），PCICR寄存器低三位分别对应三个端口组，对应位设置为1即启用响应端口组，可同时启用多个端口组。

PCI控制寄存器

启用对应引脚pin中断

需要使用Pin Change Mask （PMSKx）来选择对应的引脚，有3个PMSK分别对应三个端口组，将对应位置为1即启用对应引脚中断。

Pin Change Mask

可以在setup()函数中进行设置

Pin Change Mask设置

编写中断服务程序ISR，如果使用同一端口组的多个引脚，则需要在ISR中进行对应识别。

和硬件中断不同，PCI中断的ISR已经定义好名称，需要根据实际情况选择正确的ISR名称。

PCI中断的ISR名称

ISR中断服务程序规则和硬件中断一样，对于全局变量需要使用volatile修饰。

PCI中断示例

PCI中断示例

示例1：使用单个PCI引脚中断控制led亮灭。

代码

const byte ledPin = 13;

const byte buttonPin = 7;

volatile bool togglestate = false;

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);

// 启用端口组Port D（bit2–PORTD,bit1–PORTC,bit0–PORTB）

PCICR |= B00000100;

// 启用D7引脚，PCMSK0,PCMSK1,PCMSK2分别对应PORTB,PORTC,PORTD

PCMSK2 |= B10000000;

}

void loop() {

// No code in Loop

}

// PCI中断的ISR程序名称已经预先定义，需要选择正确的名称。

ISR (PCINT2_vect)

{

togglestate = !togglestate;

digitalWrite(ledPin, togglestate);

}

示例2：使用同一端口组的多个PCI引脚中断

代码

// 定义引脚

const byte ledPin1 = 11;

const byte ledPin2 = 13;

const byte buttonPin1 = 2;

const byte buttonPin2 = 7;

// 定义状态变量，使用volatile修饰

volatile bool D2_state = LOW;

volatile bool D7_state = LOW;

void setup() {

pinMode(ledPin1, OUTPUT);

pinMode(ledPin2, OUTPUT);

pinMode(buttonPin1, INPUT_PULLUP);

pinMode(buttonPin2, INPUT_PULLUP);

// 启用Port D端口组

PCICR |= B00000100;

// 启用D2 和 D7引脚

PCMSK2 |= B10000100;

}

void loop() {

// Loop code

}

// 选择正确的ISR名称

ISR (PCINT2_vect)

{

// D2 按钮PCI中断处理

if (digitalRead(buttonPin1) == LOW) {

//D2 引脚在按钮按下（下降沿）时触发 ISR

D2_state = !D2_state;

digitalWrite(ledPin1, D2_state);

}

// D7 按钮PCI中断处理

if (digitalRead(buttonPin2) == LOW) {

//D7引脚在按钮按下（下降沿）时触发 ISR

D7_state = !D7_state;

digitalWrite(ledPin2, D7_state);

}

注意：如前面所述，因为按钮按下（H–>L）和释放（L–>H）会触发两次PCI中断，因此需要在ISR程序中进行判断。

定时器中断（Timer Interrupts）

定时器中断不使用外部信号，而时由软件中生成的中断，计时是基于Arduino Uno的16 MHz时钟振荡器。如Servo和Tone库，在内部使用了Timer Interrupts，因此在编写代码时应注意避免发生冲突。

Arduino UNO有3个内部定时器，其位数有所不同，位数决定了定时器的最大计数数，8位定时器为256位，16位定时器为65,536位。

计时器中的值以时钟频率或时钟频率的分数为单位递增。可以使用软件来设置中断触发的次数，也可以在计时器溢出时触发中断。

Arduino UNO有3个内部定时器

划分时钟频率

定时器由ATmega328内部的16mhz振荡器计时。

划分时钟频率

时钟一个周期为计时器的一个“tick”，其时间为62.5ns，这是一个非常短的时间，对于许多计时应用程序来说，它太短没有太多的实际用途。

为了降低时钟信号，ATmega328有一个“预分频器”，本质上是一个时钟频率的分配器。预分频器可以将时钟划分为更易于管理的较低频率，从而选择许多常见的时间频率，最长可达64us。

预分频器

每个计时器有三个时钟选择位，通过对这三个时钟选择位的设置确定Prescaler的值，以及计时源。也可以将所有时钟选择位设置为零停用时钟源。

Timer0, 8位定时器, 使用 CS01, CS02和CS03.

Timer0, 8位定时器

Timer1, 16位定时器, 使用CS10, CS11和CS12.

Timer1, 16位定时器

Timer2, 8位定时器, 使用CS20, CS21和CS22.

Timer2, 8位定时器

使用定时器中断

定时器中断可以在两种不同的模式下操作，

比较匹配模式，Compare Match Mode：将一个计数器值放入比较匹配寄存器。当定时器计数器与寄存器中的值相匹配时，产生定时器中断。
溢出模式，Overflow Mode：当定时器技术器达到它的最大计数值时，产生一个中断，计数器重置为零并重新开始计数。
通过将比较匹配寄存器与预分频器相结合，可以获得在计时器的范围内想要的任何计时周期（8位计时器最多只能除以255)。

计算公式

定时器相关寄存器

Timer/Counter control registers (TCCR1A/B) 是8位寄存器。
所有中断都用定时器中断掩码寄存器(TIMSK1)单独屏蔽。

定时器中断服务程序ISR

每个定时器都有两个isr相关联，一个用于比较匹配模式，另一个用于溢出模式。

定时器中断模式

示例：配置一个2hz输出的定时器，用其控制LED闪烁（每秒2次）

代码

#define ledPin 13

// 定义变量存储比较寄存器值

int timer1_compare_match;

ISR(TIMER1_COMPA_vect)

// 使用timer1的比较匹配模式ISR

{

// 预加载比较匹配寄存器值，该值根据所需的频率，通过上述公式可以计算得出

TCNT1 = timer1_compare_match;

// 翻转LED状态，^按位异或，相同为0，相异为1

digitalWrite(ledPin, digitalRead(ledPin) ^ 1);

}

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT);

// 禁用所有中断，避免在配置定时器中断时产生中断

noInterrupts();

// 初始化Timer1

TCCR1A = 0;

TCCR1B = 0;

// 期望2hz，如果256的预分频器，则计算得出比较匹配寄存器的值为。

// [16000000/(256*2)]-1=31249

timer1_compare_match = 31249;

// 预加载比较匹配寄存器值

TCNT1 = timer1_compare_match;

// 设置预分频器为256，

TCCR1B |= (1 << CS12);

// 启用定时器中断timer1比较匹配模式

TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);

// 启用所有中断

interrupts();

}

void loop()

{

}

总结

对于需要精确定时或响应式用户界面的项目，中断是一种很好的方式。

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中断定时器引脚端口组

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