MicroPython中断服务程序(ISR)编写规范与最佳实践-优快云博客

MicroPython中断服务程序(ISR)编写规范与最佳实践

micropython MicroPython - a lean and efficient Python implementation for microcontrollers and constrained systems 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/mi/micropython

中断处理基础概念

在MicroPython中，中断服务程序(ISR)是响应硬件事件(如定时器触发或引脚电平变化)而执行的Python回调函数。这些事件可能发生在程序执行的任何时刻，因此编写ISR时需要特别注意一些MicroPython特有的限制以及实时编程的通用原则。

MicroPython特有的ISR限制

紧急异常缓冲区

在ISR中发生错误时，MicroPython需要专门的缓冲区来存储错误信息。建议在所有使用中断的程序中都包含以下代码：

import micropython
micropython.alloc_emergency_exception_buf(100)

注意该缓冲区只能保存一个异常的堆栈跟踪信息，如果处理异常时又发生第二个异常，原始异常信息会被覆盖。

保持代码简洁

ISR代码应尽可能简短，只执行必须立即完成的操作：

处理触发中断的硬件设备，使其准备好接收下一次中断
通过更新共享数据来通知主循环中断已发生
尽快返回控制权

与主程序通信

ISR通常需要通过共享数据对象与主程序通信，推荐使用：

整数、bytes和bytearray对象
array模块中的数组(可存储多种数据类型)
全局变量或通过类共享的变量

使用对象方法作为回调

MicroPython支持将对象方法作为回调函数，这种方式非常强大：

class Foo(object):
    def __init__(self, timer, led):
        self.led = led
        timer.callback(self.cb)
    
    def cb(self, tim):
        self.led.toggle()

这种方式可以实现：

单个类支持多个硬件实例
回调函数通过self访问实例数据
在多次调用间保持状态

内存分配限制

ISR中不能创建Python对象，因为：

MicroPython需要从堆中分配内存
堆分配不可重入(中断可能发生在主程序正在分配内存时)

具体限制包括：

不能使用浮点运算(浮点数是Python对象)
不能向列表追加元素
不能插入字典项

解决方案是使用预分配缓冲区，例如在类构造函数中创建bytearray和标志位，ISR只修改这些预分配对象的内容。

使用micropython.schedule

这个函数允许ISR将回调排队执行，此时堆未被锁定：

可以创建Python对象和使用浮点数
保证在主程序完成Python对象更新后执行

典型用法是处理传感器数据：ISR从硬件获取数据并启用下一次中断，然后调度回调处理数据。

实时编程通用原则

中断处理程序设计要点

执行时间：ISR应能在短且可预测的时间内完成
- 避免循环结构
- 最小化I/O操作(除中断设备外的设备访问)
- 不要等待事件
中断优先级：
- 高优先级中断可以中断正在执行的ISR
- 低优先级中断会被延迟直到当前ISR完成
共享数据问题：
- 主程序和ISR共享数据时需考虑一致性问题
- 简单整数或字节数组通常安全
- 复杂数据结构(如字典)可能引发问题

临界区保护

当主程序访问与ISR共享的数据时，应考虑禁用中断：

import micropython

# 禁用中断
micropython.disable_irq()

# 访问共享数据
shared_data = ...

# 重新启用中断
micropython.enable_irq()

与asyncio交互

ISR不应直接执行asyncio操作，安全的方式是使用ThreadSafeFlag：

tsf = asyncio.ThreadSafeFlag()

def isr(_):  # 中断处理程序
    tsf.set()

async def foo():
    while True:
        await tsf.wait()
        asyncio.create_task(bar())