單片機(jī)必須了解的外設(shè)功能——定時(shí)器/中斷功能

　　上一期《單片機(jī)必須了解的外設(shè)功能——GPIO/串行通信》中，我們了解了單片機(jī)的外設(shè)功能的結(jié)構(gòu)和使用方法，本文主要介紹單片機(jī)必須了解的定時(shí)器中斷功能。

　　本連載將以搭載了瑞薩電子的單片機(jī)--RX63N的電路板“GR-SAKURA”為例進(jìn)行說明，請你也實(shí)際操作試試看！一手包辦有關(guān)時(shí)間和時(shí)刻的處理！

　　在單片機(jī)中，不僅頻繁地使用“○月○日○點(diǎn)○分”這種時(shí)刻顯示，顯示過去的時(shí)間和一定的周期這種形式也被頻繁地使用。例如，“該程序從運(yùn)行開始過去了多少時(shí)間？”、“每秒輸送128次信號”等等。另外，還經(jīng)常被用于“等待指定的時(shí)間”、“經(jīng)過指定的時(shí)間后將轉(zhuǎn)移到下一個(gè)處理”這樣的情況。對這些與時(shí)間和時(shí)刻有關(guān)進(jìn)行處理的外設(shè)功能就是定時(shí)器（圖1）。

　　圖1：定時(shí)器就是進(jìn)行與時(shí)間、時(shí)刻有關(guān)的處理

　　我們也可以不使用外設(shè)功能（硬件）的定時(shí)器，而是通過軟件來計(jì)算時(shí)間。下面通過圖2來說明使用軟件來定時(shí)的示例，圖中假設(shè)循環(huán)（重復(fù)）部分的處理需要費(fèi)時(shí)１μs（微秒：100萬分之1秒）。由此可以計(jì)算出該循環(huán)部分重復(fù)1000次需要花費(fèi)1ms（毫秒：千分之1秒），重復(fù)100萬次則需費(fèi)時(shí)1秒。即：通過“等待經(jīng)過循環(huán)處理所指定的時(shí)間”來計(jì)算時(shí)間。但是，CPU將會集中進(jìn)行時(shí)間計(jì)算的處理而無法進(jìn)行其他處理。而且，只能計(jì)算一個(gè)周期的時(shí)間。而現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，單片機(jī)需要對應(yīng)0.1秒和1/1024秒等各種周期的時(shí)間。

　　另外，CPU的計(jì)時(shí)器頻率（驅(qū)動速度）也將對軟件產(chǎn)生影響。如果將100MHz驅(qū)動的CPU改為50MHz，那么循環(huán)1次所需的時(shí)間將變?yōu)樵瓉淼膬杀?。因此，需要對?jì)算時(shí)間的軟件進(jìn)行修正。如上所述，由于在管理上既花時(shí)間又容易出錯(cuò)，所以要極力避免通過軟件來計(jì)算時(shí)間。

　　圖2：通過軟件定時(shí)的定時(shí)器示例

　　稍微介紹一下中斷的內(nèi)容……

　　下面，我們簡單介紹一下和定時(shí)器不可分割的技術(shù)——“中斷功能”。單片機(jī)中的“中斷功能”是指某個(gè)程序在執(zhí)行過程中，因某種原因而發(fā)出“開始進(jìn)行其他處理”的請求。由于可以使用中斷功能，所以可使CPU不集中進(jìn)行一個(gè)處理。

　　讓我們想象一下日常生活中用到“中斷功能”的情景，當(dāng)我們把熱水倒入方便面盒中后，如果我們在3分鐘內(nèi)一直盯著時(shí)鐘看，那么這段時(shí)間內(nèi)我們就不能做其它事情。但如果用廚房定時(shí)器設(shè)定3分鐘的時(shí)間，在廚房定時(shí)器的警報(bào)響起之前我們便可以去做其它事情。在這個(gè)例子中，“一直盯著時(shí)鐘看”就相當(dāng)于前一節(jié)中所介紹的“等待經(jīng)過循環(huán)處理所指定的時(shí)間”，所以在處理結(jié)束之前不能去做其它事情。同時(shí)，廚房定時(shí)器的警報(bào)就相當(dāng)于中斷功能。在中斷發(fā)生前還可以去做其它事情。

　　單片機(jī)的外設(shè)功能中有各種各樣的定時(shí)器，這些定時(shí)器在經(jīng)過指定的時(shí)間或處理結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)送中斷信號。不僅是定時(shí)器，很多外設(shè)功能都會在“產(chǎn)生變化”、“處理開始／結(jié)束”時(shí)將中斷信息傳送給CPU。所以，CPU在中斷功能發(fā)生前還可以繼續(xù)做其它工作，因此可提高作業(yè)效率。關(guān)于中斷功能的詳細(xì)內(nèi)容，將在本系列第4期的《外部中斷功能IRQ》中做詳細(xì)介紹。本期中，我們先事先了解一下“從外設(shè)功能以中斷的形式向CPU傳送信息”的內(nèi)容。

　　各式各樣的定時(shí)器中，還有“看門狗定時(shí)器”！

　　在單片機(jī)的外設(shè)功能中，最貼心的定時(shí)器是計(jì)算到指定時(shí)間的定時(shí)器和每隔一段時(shí)間便發(fā)生中斷的定時(shí)器。另外，在瑞薩電子的RX63N單片機(jī)中，搭載了為控制伺服電動機(jī)而產(chǎn)生脈寬調(diào)制解調(diào)（PWM）信號的定時(shí)器、計(jì)算輸入信號間隔的定時(shí)器、顯示現(xiàn)在時(shí)刻的RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）等各種各樣的定時(shí)器。

　　在定時(shí)器中，最具特色的是WDT（看門狗定時(shí)器）。其名字Watch Dog Time中的Watch dog意思為“看門狗”，它的工作就是監(jiān)視程序是否出現(xiàn)失控。由WDT監(jiān)視的程序通過事先將設(shè)定的值寫入WDT后啟動。WDT每隔一定時(shí)間便減掉寫入的值，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，處理結(jié)束前會對WDT清零再結(jié)束。但是，如果程序失控（進(jìn)入意料之外的重復(fù)狀態(tài)且無法停止）時(shí)，寫入WDT的值將小于0（稱為下溢），因此向CPU通知程序出現(xiàn)了失控。在不允許睡眠的重要系統(tǒng)中，單片機(jī)中搭載的“看門狗定時(shí)器”―WDT發(fā)揮了極其重要的作用。

　　輕松嘗試使用定時(shí)器

　　雖然說：“我們就通過程序來實(shí)際使用定時(shí)器……”，但是實(shí)際上，要想熟練運(yùn)用定時(shí)器，必須先理解單片機(jī)的操作步驟。而且，不僅需要了解通過軟件進(jìn)行操作的步驟，還需理解單片機(jī)的硬件（結(jié)構(gòu)）以及所使用的零部件的規(guī)格等。

　　因此，需要幫助時(shí)請使用“數(shù)據(jù)庫”。對于搭載了RX63N單片機(jī)的GR-SAKURA電路板，我們準(zhǔn)備了幾個(gè)與時(shí)間和時(shí)刻有關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

　　SAKURA 的sketch參數(shù)：櫻花程序庫時(shí)間（僅英文版）

　　在這個(gè)程序中，要讓GR-SAKURA上的LED在一定周期內(nèi)發(fā)光。雖然僅是很簡單的操作，但是要想讓LED在正確的周期內(nèi)發(fā)光就需要使用定時(shí)器。在上述櫻花程序庫的“時(shí)間”選項(xiàng)內(nèi)，有計(jì)算經(jīng)過時(shí)間的數(shù)據(jù)庫，所以我們就使用它。

　　程序如圖3所示。第14行的millis函數(shù)以從程序開始時(shí)經(jīng)過的時(shí)間ms（毫秒：千分之一秒）為單位送回，沒有參數(shù)。使用該函數(shù)，通過獲取和最初的測定（第14行）之間的差距來取得1秒后、2秒后的結(jié)果。用while語言生成循環(huán)，從a的值等待1秒或2秒（第15行、第19行）。于是，1秒后LED0（GR-Sakura電路板的D1）亮燈，2秒后滅燈。滅燈后結(jié)束loop函數(shù)，但是該操作會再次反復(fù)繼續(xù)執(zhí)行。另外，millis函數(shù)沒有符號，將返回long型的整數(shù)。

　　圖3：使用定時(shí)器功能使LED亮燈的程序。此例中，以1秒鐘為周期閃爍。

使用定時(shí)器功能使LED亮燈的程序