8. Прерывания, вектор прерываний.

Прерывания – это аппаратные события, которые прекращают нормальный ход программы для выполнения какой-либо приоритетной задачи. При этом событие может быть как внутренним (от встроенной периферии самого микроконтроллера – таймеров, портов ввода-вывода, АЦП и других), так и внешним – например, появление на входе импульса от нажатой кнопки. Возникает вопрос, можно ли обрабатывать эти события без использования прерываний?

В наиболее простых случаях так и происходит: основная программа представляет собой бесконечный цикл, внутри которого тем или иным способом отслеживаются возникновения событий, при наступлении которых устанавливается определённое значение переменной, называемой обычно флагом (бит в специализированном регистре или ячейке памяти). Основная программа проверяет в цикле значения используемых флагов, и при их изменении переходит к обработке соответствующего события. Чем неудобен подобный подход? Во-первых, подобный цикл ожидания полностью загружает микроконтроллер, который в это время мог бы делать что-нибудь полезное. Во-вторых, некоторые события в принципе не могут долго ждать, например, обработка приёма данных по USART – если пропустить хоть один байт, логика работы программы будет нарушена, а повторная пересылка данных может быть не предусмотрена. Именно поэтому для организации более эффективного использования ресурсов микроконтроллера и используют прерывания.

Как работают прерывания. При возникновении прерывания микроконтроллер завершает текущую команду, сохраняет в стеке содержимое счетчика команд и совершает переход на адрес соответствующего вектора прерывания. По этому адресу, как правило, находится команда безусловного (JMP или RJMP) перехода к подпрограмме обработки прерывания. За каждым аппаратным прерыванием микроконтроллера закреплен свой адрес, и все вместе они образуют таблицу векторов прерываний, которая расположена в самом начале памяти программ. Поскольку у каждого микроконтроллера набор периферии разный, вектор прерываний также будет отличаться. Ниже приведена таблица векторов прерываний микроконтроллера ATTiny2313, который мы будем использовать вынуждены использовать в новых условиях при выполнении практических работ.

Таблица векторов прерываний микроконтроллера ATTiny2313

№	Адрес	Источник прерывания		Описание
1	.ORG 0x0000	RESET		External Pin, Power-on Reset
2	.ORG 0x0001	INT0		External Interrupt Request 0
3	.ORG 0x0002	INT1		External Interrupt Request 1
4	.ORG 0x0003	TIMER1 CAPT		Timer/Counter1 Capture Event
5	.ORG 0x0004	TIMER1 COMPA		Timer/Counter1 Compare Match A
6	.ORG 0x0005	TIMER1 OVF		Timer/Counter1 Overflow
7	.ORG 0x0006	TIMER0 OVF		Timer/Counter0 Overflow
8	.ORG 0x0007	USART0, RX		USART0, Rx Complete
9	.ORG 0x0008	USART0, UDRE		USART0 Data Register Empty
10	.ORG 0x0009	USART0, TX		USART0, Tx Complete
11	.ORG 0x000A	ANALOG COMP		Analog Comparator
12	.ORG 0x000B	PCINT		Pin Change Interrupt
13	.ORG 0x000C	TIMER1 COMPB		Timer/Counter1 Compare Match B
14	.ORG 0x000D	TIMER0 COMPA		Timer/Counter0 Compare Match A
15	.ORG 0x000E	TIMER0 COMPB		Timer/Counter0 Compare Match B
16	.ORG 0x000F	USI START		USI Start Condition
17	.ORG 0x0010	USI OVERFLOW		USI Overflow
18	.ORG 0x0011	EE READY		EEPROM Ready
19	.ORG 0x0012	WDT OVERFLOW		Watchdog Timer Overflow
.ORG INT_VECTORS_SIZE			Конец таблицы прерываний

Контроллер стартует с адреса 0x00 (нулевого адреса памяти программ). Далее мы делаем безусловный переход на метку RESET. Если этого не сделать, то контроллер начнёт выполнять команды из таблицы векторов прерываний, что нам совершенно не нужно. После перехода по метке первым делом необходимо проинициализировать стек. Потом, используя команду SEI, разрешаем глобальные прерывания. За разрешение конкретных прерываний для каждого вида периферии отвечают соответствующие регистры управления локальными прерываниями.

Когда возникает прерывание, выполнение текущих операций приостанавливается и микроконтроллер переходит по соответствующей метке на подпрограмму обработки прерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда RETI, которая обеспечивает возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и данных, заблаговременно перенесённых в стек.

Что происходит в том случае, если одновременно возникает не одно прерывание, а несколько? Тогда в регистре состояния устанавливаются соответствующие флаги, и прерывания обрабатываются одно за другим в порядке очерёдности. Положение вектора в таблице определяет приоритет соответствующего прерывания, при этом чем меньше адрес, тем выше приоритет прерывания. Если прерывания в работе микроконтроллера не используются, то на месте таблицы векторов прерываний может быть размещена часть основной программы.

Для глобального разрешения или запрещения прерываний предназначен флаг I регистра состояния SREG. Для разрешения работы прерываний он должен быть установлен в единицу (это делается с помощью ассемблерной команды SEI), а для запрещения сброшен (командой CLI). По умолчанию (после сброса микроконтроллера) этот флаг сброшен, и все прерывания микроконтроллера запрещены. Также возможно индивидуальное разрешение или запрещение (маскирование) прерываний, которое производится установкой или сбросом соответствующих разрядов регистров масок прерываний. Для каждого блока периферии существует собственный регистр для разрешения локальных прерываний. При возникновении прерывания флаг I регистра SREG сбрасывается на аппаратном уровне, запрещая тем самым обработку следующих прерываний. При возврате из подпрограммы обработки прерывания (при выполнении команды RETI) флаг I устанавливается обратно.

Все доступные для работы прерывания можно разделить на два типа. Прерывания первого типа генерируются при наступлении некоторого события, в результате которого устанавливается флаг прерывания. Затем, если прерывание разрешено, в счетчик команд загружается адрес вектора соответствующего прерывания. При этом флаг прерывания сбрасывается на аппаратном уровне. Он также может быть сброшен программным образом, путем записи единицы в разряд регистра, соответствующий флагу.

Прерывания второго типа не имеют флагов прерываний и генерируются в течение всего времени, пока присутствуют условия, необходимые для генерации прерывания. Соответственно, если условия, вызывающие прерывание, исчезнут до разрешения прерывания, генерации прерывания не произойдет.

Наименьшее время отклика для любого прерывания составляет 4 машинных цикла, в течение которых происходит сохранение счетчика команд в стеке. В течение последующих двух или трех циклов выполняется команда перехода к подпрограмме обработки прерывания. Если прерывание произойдет во время выполнения команды, длящейся несколько циклов, то генерация прерывания произойдет только после выполнения этой команды. Если же прерывание произойдет во время нахождения микроконтроллера в «спящем» режиме, время отклика увеличивается еще на 4 машинных цикла. Возврат в основную программу занимает 4 машинных цикла, в течение которых происходит восстановление счетчика команд из стека. После выхода из прерывания процессор всегда выполняет одну команду основной программы, прежде чем обслужить любое отложенное прерывание.

Поскольку прерывание нарушает стандартный ход выполнения программы и может возникнуть в любой момент времени, необходимо сохранить текущие данные. Для этого необходимо использовать стек, туда нужно переместить все регистры, используемые в обработчике прерывания, чтобы не потерять хранящиеся там данные. Также необходимо сохранять регистр флагов SREG, в котором хранится результат логических операций:

TIM0_OVF:

PUSH         R16            // Сохраняем регистр R16

IN R16, SREG     // Перемещаем содержимое SREG в R16

PUSH         R16            // Сохраняем всё в стек

PUSH         R17            // R17 сохраняем туда же

……………           // Выполнение кода обработчика прерывания

POP  R17            // Перед выходом из прерывания извлекаем

POP  R16            // сохранённые данные

OUT SREG, R16 // Действуем при этом в обратном порядке

POP  R16

RETI                   // Выходим из прерывания

Также существует ряд операций, которые должны выполняться неразрывно, например, чтение 16-разрядного счетного регистра таймера. Поскольку ядро микроконтроллеров семейства Tiny 8-разрядное, то 16-разрядный регистр таймера считывается (или записывается) в два приема – причём сначала считывается младший байт, а потом старший (это подробно рассматривалось в главе, посвящённой таймерам). Между двумя этими операциями не должно возникать никаких прерываний, поэтому перед чтением такого регистра необходимо их запретить, а после окончания операции чтения разрешить обратно.