AT91SAM7X256串行通信中断操作实践

andriy_mulyar

于 2024-11-08 15:08:34 发布

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简介：本压缩包“usart_at91.rar_AT91中断”包含了使用中断方式操作AT91SAM7X256微控制器串行通信接口（USART）的代码示例。文档深入介绍AT91SAM7X256的中断系统、USART通信接口、中断向量、中断优先级、USART中断类型、中断处理流程和调试技巧，以及具体的代码实践，帮助开发者在AT91SAM7X256平台上高效开发串口通信应用程序。 usart_at91.rar_AT91中断

1. AT91SAM7X256微控制器与中断基础

在嵌入式系统的开发中，理解微控制器的中断机制对于高效编程至关重要。本章我们将以AT91SAM7X256微控制器为例，深入探讨中断的基础知识及其应用。

微控制器与中断概述

AT91SAM7X256微控制器是由ATMEL公司生产的一款ARM7TDMI内核的32位微控制器。其具有丰富的外设接口，特别适用于需要高速通信和处理能力的应用场合。微控制器在执行任务时，常常需要对外部事件作出迅速反应，这时就需要使用中断机制。

中断的工作原理

中断是微控制器响应外部或内部事件的一种机制。当中断发生时，微控制器会暂停当前的任务，将处理权转移到一个特定的处理程序——中断服务例程（ISR）。完成该处理后，再返回到原来的任务继续执行。

// 中断服务例程的伪代码示例
void interrupt_handler() {
    // 处理中断相关任务
    // ...
    // 中断结束，返回原来任务
}

在中断服务例程中，应尽量保持代码简洁，避免执行耗时操作，以减少对主程序流程的影响。这章介绍了AT91SAM7X256微控制器和中断的基础知识，为读者后续学习中断操作打下坚实的基础。接下来的章节将详细讨论如何实现中断操作，以及如何在串行通信接口（USART）中应用中断。

2. 串行通信接口（USART）的中断操作

2.1 USART的基本概念与功能

2.1.1 USART的工作原理

串行通信接口（USART）是微控制器中常用的异步或同步串行通信标准，其设计用于在设备之间以串行方式传输数据。在异步模式下，数据以不规则的时间间隔传输，通常通过特定的起始位、数据位、可选的校验位和停止位来形成一帧数据。在同步模式下，数据是在时钟信号的引导下以同步方式传输的，通常具有更高效的数据吞吐率。

为了实现这种通信，微控制器必须能够在特定时刻准确地发送和接收数据位。因此，微控制器内嵌了USART硬件模块，该模块包括一个发送缓冲区、一个接收缓冲区以及一组控制和状态寄存器。USART模块根据时钟频率来同步数据的发送和接收，同时检测错误并通知主控制器。

2.1.2 USART与微控制器的连接方式

USART模块与外部设备（如PC或另一微控制器）连接时，数据线（TX和RX）以及（在异步模式下）地线是必需的。在同步模式下，可能还会使用到一个专门的时钟线（CK）。为了让数据正确传输，发送端和接收端必须以相同或兼容的速率运行，这通常通过设置波特率来实现。

由于USART模块通常不需要主机CPU的干预即可完成数据的发送和接收，因此它通过中断机制来通知CPU进行数据处理。当接收缓冲区收到新的数据或发送缓冲区为空时，USART模块会产生一个中断信号，告知CPU采取进一步的操作。

2.2 USART中断机制详解

2.2.1 中断与轮询的区别

中断是一种响应外部或内部事件的处理机制，允许程序在执行主要任务时，暂时中断当前任务流去处理突发事件。与轮询方式相比，中断方法能有效减少CPU资源的浪费，因为它避免了不断检查条件是否满足的循环。在微控制器中，中断机制尤其重要，因为它允许微控制器在未执行任务时进入低功耗模式，从而节省电能。

在USART通信中，中断允许微控制器在接收到数据或准备好发送数据时，暂停当前处理流程，而无需不断轮询USART状态寄存器。这样不仅可以提高程序的响应速度，还可以优化资源使用效率。

2.2.2 USART中断源和中断请求线

中断源是指引起中断的事件，例如接收到数据或完成数据发送等。每个中断源可以被单独启用或禁用，并被分配给特定的中断请求线（IRQ）。在AT91SAM7X256这样的微控制器上，中断请求线与中断服务例程（ISR）相关联，当特定中断条件发生时，相应的ISR将被调用。

例如，一个USART模块可能有多个中断源，如接收缓冲区已满、发送缓冲区为空、帧错误或溢出错误等。每个中断源都需要在微控制器的中断控制器中配置，并关联到相应的处理函数。

2.2.3 中断向量和中断服务例行程序（ISR）

当中断请求线得到信号后，微控制器会根据中断向量表来决定调用哪个中断服务例行程序（ISR）。中断向量表是一个固定的地址列表，存储了所有可能中断的入口点。每个向量都指向一个特定的ISR，该ISR包含了处理特定中断所需的代码。

编写ISR时，需要注意的是中断服务程序应该尽可能简短高效，以避免影响系统的实时性。此外，在ISR执行期间，可能需要禁用其他低优先级的中断，以保证当前中断能够顺利完成。在处理完中断后，通常需要清除中断标志位，以便微控制器知道中断已处理完毕，可以接收新的中断请求。

3. USART通信模式与配置

3.1 USART支持的通信模式

3.1.1 同步模式与异步模式

在微控制器与外围设备的通信中，USART提供了两种主要的通信模式：同步模式和异步模式。理解这两种模式的不同之处对于选择合适的通信方案至关重要。

异步模式 是基于字符传输的，每个字符被独立编码和解码。这种方式不依赖于外部时钟信号，而是依靠内部的波特率生成器。每个字符的开始和结束都是通过起始位和停止位来标识，这为通信提供了额外的同步保障。异步模式因其简单和低成本而广泛应用于各种微控制器和外围设备通信。

同步模式 则要求有一个额外的时钟信号来同步数据传输。在同步通信中，数据通常以固定长度的块进行传输，块之间有间隔，但没有起始位和停止位。这种模式可以实现更高的数据传输速率，并且因为同步时钟的存在，误码率较低，适用于需要高效、稳定数据流的场合，比如音频和视频数据的传输。

3.1.2 特殊通信模式的实现与应用

除了基本的同步和异步通信，USART还支持几种特殊模式，用于满足特定场景的需求。

多处理器通信模式 允许在同一通信线路中连接多个主设备和从设备。在这种模式下，可以从设备的地址被编码到数据帧中，使得主设备可以指定接收数据的目标设备。

ISO7816模式 是一种为智能卡通信而优化的模式。它支持智能卡协议的特点，比如可变的波特率和字符过滤功能。

红外通信模式 支持设备之间的红外线通信。在这种模式下，通常需要特定的硬件支持，并且数据通过调制的红外信号发送。

对于这些特殊模式的实现与应用，需要仔细配置USART的相关寄存器，确保数据帧的结构与目标设备的通信协议一致。

3.2 USART配置选项

3.2.1 时钟设置与波特率配置

在USART配置中，正确设置时钟源和波特率对于确保数据能被准确、可靠地传输至关重要。波特率是每秒钟传输的比特数，它直接决定了数据传输速率。

波特率设置 依赖于微控制器的主时钟频率和USART的预分频设置。大多数微控制器的USART模块允许用户通过编程来设置波特率。公式如下：

波特率 = 主时钟频率 / (16 * (USARTDIV))

其中 USARTDIV 是波特率寄存器中的值，它由预分频值和分数时钟值组成。预分频值定义了主时钟频率被分割的次数，而分数时钟值用于调整波特率至更精确的值。

3.2.2 校验位与数据位设置

校验位用于错误检测，而数据位定义了每个字符的有效数据位数。这决定了实际传输的负载数据大小。

在配置时，可以选择奇校验、偶校验、无校验或标记校验。校验位通过额外的一位来增加通信的可靠性，它有助于识别数据传输过程中可能发生的错误。

数据位通常设置为8位，但对于需要较短传输时间的应用，也可以配置为9位。选择正确的数据位和校验位设置，需根据实际应用场景和数据传输需求来决定。

3.2.3 中断优先级的配置和管理

在多任务系统中，合理配置中断优先级可以确保关键任务获得处理器资源的优先分配，同时避免低优先级任务阻塞关键任务的执行。

USART支持中断优先级配置，允许中断请求被分配一个优先级，从而确定它们在中断服务例行程序（ISR）中的执行顺序。当两个中断同时发生时，具有更高优先级的中断将优先得到处理。

通过配置控制寄存器中的优先级字段，可以设置不同的优先级。对于支持的每个中断，可以分别设置优先级高低，其中优先级分为高和低两个等级。

// 伪代码配置中断优先级
USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE; // 使能接收中断
NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, USART_PRIORITY); // 设置中断优先级
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); // 启用中断

在实际应用中，正确的中断优先级配置对于保证系统的稳定运行和响应实时性至关重要。

4. USART中断高级应用

4.1 USART中断类型与触发条件

4.1.1 接收中断与发送中断

在微控制器中，USART模块可以配置为在特定条件下触发中断。对于接收中断，当接收到数据时，如果之前已经使能了接收中断，微控制器会立即停止当前任务，并转而处理USART接收中断服务程序。在发送中断中，当发送缓冲区为空，意味着之前发送的数据已经成功发送，如果之前配置了发送中断，此时会触发一个中断，允许用户执行下一个发送操作，或者在发送队列为空时关闭发送中断。

这两种中断类型对于实时数据处理非常重要。接收中断允许系统及时读取接收到的数据，而发送中断则确保在发送数据前，上一批数据已完全发送，以避免数据混杂。对于像AT91SAM7X256这样的微控制器，可以使用以下伪代码来配置接收和发送中断：

// 伪代码示例
// 配置接收中断
NVIC_EnableIRQ(USART_RXC_IRQn); // 启用接收中断
USART_EnableIt(USART, USART_IER_RXRDY); // 启用接收数据就绪中断

// 配置发送中断
NVIC_EnableIRQ(USART_TXC_IRQn); // 启用发送中断
USART_EnableIt(USART, USART_IER_TXEMPTY); // 启用发送缓冲区空中断

4.1.2 错误中断与状态变更中断

错误中断通常包括帧错误、校验错误和溢出错误。这些错误标志位会在接收数据时设置，并可以在相应的错误中断中进行处理。错误中断提供了及时处理错误情况的机会，从而可以恢复正常的通信状态。状态变更中断指的是某些状态标志的改变，例如，LIN同步断裂中断或ISO7816协议中工作模式改变的中断。这些中断类型通常用在需要高可靠性通信的应用中。

// 伪代码示例
// 配置错误中断
USART_EnableIt(USART, USART_IER_FRAME | USART_IER_PARE | USART_IER_OVRE);
NVIC_EnableIRQ(USART_ERROR_IRQn);

// 配置状态变更中断
USART_EnableIt(USART, USART_IER_MANE | USART_IER_LINBEK);
NVIC_EnableIRQ(USART_MANE_IRQn);

4.2 中断处理与状态保存

4.2.1 中断处理流程详解

在处理USART中断时，重要的是要有清晰的处理流程，以确保所有必要的操作都得到了执行，同时不会影响到系统的其他部分。通常情况下，中断服务程序（ISR）会遵循以下流程：

保存当前中断的状态，以防止对其他中断产生不必要的影响。
检查中断标志位，以确定是哪种类型的中断被触发。
根据中断类型执行必要的操作，例如读取接收到的数据或发送数据。
清除中断标志位，以准备下一次中断。
恢复之前保存的中断状态。
退出中断服务程序。

4.2.2 中断服务程序中的状态保存与恢复

在中断服务程序中保存和恢复状态是很重要的，尤其是当程序使用了硬件资源，如定时器、串行端口等，这些资源在中断中需要保持一致的状态。例如，下面的代码片段展示了如何在中断服务程序中保存和恢复USART的状态：

// 伪代码示例
void USART_RXC_IRQHandler(void) {
    uint32_t saved_context = USART_GetContext(USART); // 保存USART状态

    // 中断处理逻辑...
    if (USART_GetITStatus(USART, USART_IT_RXRDY)) {
        uint8_t received_data = USART_ReceiveData(USART);
        // 处理接收到的数据...
    }

    USART_ClearITPendingBit(USART, USART_IT_RXRDY); // 清除接收中断标志位
    USART_SetContext(USART, saved_context); // 恢复USART状态
}

4.2.3 中断嵌套与优化

中断嵌套是指在一个中断服务程序执行的过程中，允许其他更高优先级的中断打断当前的中断处理。这在处理多个中断源时非常重要，因为某些情况下，较低优先级的中断可能会等待很长时间才能得到处理。中断嵌套需要微控制器支持，同时也需要仔细地编写代码来避免竞争条件和数据不一致的问题。

对于中断嵌套和优化，代码中需要仔细设计中断优先级，确保系统资源得到合理利用。此外，应尽量减少在中断服务程序中执行的任务量，将复杂的逻辑操作推迟到主循环或其他任务中执行。

// 伪代码示例
void USART_RXC_IRQHandler(void) {
    // ...接收数据和处理逻辑...

    // 在嵌套中断中，确保中断优先级正确配置
    // 可以通过改变当前中断的优先级，或在临界区中关闭嵌套来实现
}

中断嵌套的优化方法需要结合具体的应用场景和硬件平台的特性，以确保系统性能的最大化和资源的有效利用。在中断处理程序中使用适当的软件设计模式，如状态机模式、中断与轮询的混合模式等，都有助于实现这一目标。

5. USART中断的调试与实践

5.1 串口通信中断调试技巧

在嵌入式系统中，串口通信是必不可少的功能之一，而USART中断则是实现串口通信的关键技术。在调试USART中断时，我们可以通过以下步骤和技巧来确保系统稳定可靠地工作。

5.1.1 调试工具与方法

调试USART中断通常需要使用多种工具和方法的组合。首先，应该熟悉微控制器的调试器，如JTAG或SWD接口的调试器。使用调试器可以设置断点、单步执行和查看寄存器状态。

其次，串口通信分析软件如PuTTY或Tera Term可以实时查看和记录串口数据的发送和接收。这有助于分析通信过程中数据是否按预期发送和接收。

在调试时，还需要编写和运行测试代码，以生成中断事件并验证中断服务程序（ISR）的响应是否正确。在测试代码中应包括各种边界条件和异常情况，以确保中断处理的健壮性。

5.1.2 常见中断问题分析与解决

在调试USART中断时可能会遇到多种问题，比如：

中断不触发 ：检查中断优先级设置是否正确，确保中断没有被其他高优先级中断屏蔽。
数据接收错误 ：检查是否正确配置了校验位和数据位，以及是否正确处理了溢出或帧错误。
发送中断不正常 ：检查发送缓冲区状态，确认数据是否在缓冲区清空前被写入。

分析这些问题时，可以通过查阅微控制器的数据手册和参考示例代码来辅助解决问题。在调试器中使用查看内存功能可以检查USART寄存器的状态，比如状态寄存器中的错误标志位。

5.2 示例工程与代码实践

为了更好地理解USART中断的调试与实践，我们将通过一个简单的示例工程来展示整个过程。

5.2.1 示例工程的架构与设计

在示例工程中，我们将设计一个简单的串口通信程序，该程序能够在接收到数据时产生中断，并在中断服务程序中处理数据。架构上，我们将使用模块化设计，将代码分解为初始化模块、中断服务程序模块和应用层模块。

5.2.2 代码实践详解与代码片段解析

以下是一段示例代码，展示了如何初始化USART和编写接收中断服务程序：

/* USART初始化代码 */
void usart_init() {
    // 配置GPIO为USART功能
    // 初始化USART设置波特率、数据位、停止位和校验位
    USART_CR |= USART_CR_RE | USART_CR_TE; // 启用接收器和发送器
    USART_CR |= USART_CR_RXEN | USART_CR_TXEN; // 开启接收和发送中断
}

/* 接收中断服务程序 */
void USART_RX_IRQHandler(void) {
    if (USART_SR & USART_SR_RXNE) { // 检查接收缓冲区非空标志
        uint8_t receivedData = USART_DR; // 读取接收到的数据
        // 处理接收到的数据
    }
    // 清除中断标志位
    USART_CR |= USART_CR_RSTRX;
    USART_CR &= ~USART_CR_RSTRX;
}