MicroPython的中断处理

原创

已于 2023-12-25 22:47:42 修改 · 3.1k 阅读

31 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#单片机 #嵌入式硬件

于 2023-12-25 22:40:32 首次发布

本文详细介绍了中断的基本原理，MicroPython中中断处理的机制，以及如何在MicroPython中编写中断服务程序(ISR)，包括何时使用中断、中断处理的一般建议、问题和注意事项，如内存管理、对象使用、中断优先级、临界区等。

本文会简单介绍中断的基本原理，对MicroPython在处理中断时的一些机制和问题进行阐述，并对实时控制中断编程做简单的介绍。

中断

什么是中断？

中断是计算机系统中非常重要的一种机制，简单的说就是当有I/O或其它因素发出中断信号后，CPU会暂定执行当前代码保护好现场，然后执行中断处理程序。CPU执行完中断处理程序后，返回原来的执行点，恢复现场，继续执行原来的代码。
中断示意图

MicroPython也支持在合适的硬件上（与硬件和固件有相关性）编写中断处理程序。中断处理程序（也称为中断服务程序ISR），通常被定义为回调函数。当定时器或引脚电平变化等事件触发中断后，中断处理程序将被执行。

什么情况下需要用到中断

通常在需要对外部特定事件进行响应时需要用到中断，例如：

外部输入信号变化：当外部设备或传感器产生信号变化时，可能需要中断CPU当前的工作，转而去处理这个外部事件。
定时器中断：在特定的时间点或间隔，定时器可能产生中断，请求CPU执行相应的任务。
串口通信：在进行串行数据通信时，数据到达或特定事件发生（如接收到数据或发生错误）时，可能会触发串口中断。
ADC/DAC中断：在模拟数字转换或数字模拟转换过程中，当转换完成或出现错误时，可能会需要中断来处理。

MicroPython中断处理的一些建议

代码要尽量简短。中断处理程序的代码应尽可能的短小精悍，避免长时间占用CPU，特别是在一些实时系统。
避免内存分配，在中断处理程序中不追加列表或插入字典，不要创建对象，不要使用浮点数。
可以使用 micropython.schedule 机制来处理上述限制。
当 ISR 返回多个字节时，使用预先分配的字节数组。如果要在 ISR 和主程序之间共享多个整数，建议使用数组 (array.array)。
在主程序和 ISR 之间共享数据时，应考虑在主程序访问数据前禁用中断，并在访问后立即重新启用中断（可以参考临界区）。
记得分配一个紧急异常缓冲区。

MicroPython 处理中断时需注意的问题

紧急异常缓冲区

在MicroPython中，如果没有给中断处理程序分配异常缓冲区，中断处理程序中产生的异常堆栈将无法捕获，也就获取ISR产生的异常信息。可以通过为ISR分配紧急异常缓冲区的方式解决这一问题，这在调试的时候会比较有用。当然，如果确信ISR代码不会产生异常，也可以不用分配这个缓冲区，否则不建议这么做。分配缓冲区的代码非常简单：

import micropython
micropython.alloc_emergency_exception_buf(100)

紧急异常缓冲区只能容纳一个异常堆栈信息。这意味着 ISR 产生多个异常的情况下，后面的会覆盖之前的，也就是说只会保留最后一个。所以，当有多个异常产生时，打印出的异常信息可能并不是真正的问题所在。

短小精悍

ISR 代码应尽可能短小精悍。ISR 只应执行必须执行的操作，可以推迟执行的操作应委托给主程序执行。通常情况下，ISR 会处理导致中断的硬件设备，使其为下一次中断做好准备。它会通过更新共享数据与主程序循环通信，表明中断已经发生，然后返回。ISR 应当尽快将控制权交换主程序。

ISR与主程序的通信

ISR通常需要与主程序通信。最简单的方法是通过一个或多个共享数据对象，这些对象可以声明为全局对象，也可以通过类共享的方式（见下文），这样做有一些限制和危险，后面会详细介绍。整数、bytes和bytearray以及数组对象（array.array）通常被用于共享数据，数组对象可以存储各种数据类型。

使用对象方法作为中断处理程序回调函数

MicroPython支持ISR与底层代码共享对象实例，甚至可以实现让设备驱动程序类支持多个设备实例。下面的示例展示了使用定时器中断，让两个LED以不同的速率闪烁。

import pyb, micropython
micropython.alloc_emergency_exception_buf(100) #申请一个紧急异常缓冲区
class Foo(object):
    def __init__(self, timer, led):
        self.led = led
        timer.callback(self.cb) #传递给Timer对象方法
    def cb(self, tim): #用于回调的方法
        self.led.toggle()

red = Foo(pyb.Timer(4, freq=1), pyb.LED(