本文介紹 GPIO 中斷，包括中斷示例及其各種功能。這是上一篇文章的延續(xù)，該文章解釋了微控制器的并發(fā)和中斷的概念。

GPIO 外設(shè)有什么作用？

GPIO 外設(shè)能夠檢測（或“知道”）四件事：引腳上的值是 1 還是 0，以及該值是從 0 變?yōu)?1 還是從 1 變?yōu)?0。

這些對于檢測許多事件很有用。例如，如果我將簧片開關(guān)連接到門上，那么我在微控制器上的程序可以根據(jù)簧片開關(guān)所連接的引腳上的值變化來判斷門是剛剛打開還是剛剛關(guān)閉，如圖 1 所示。

圖 1.使用 GPIO 和簧片開關(guān)檢測門的狀態(tài)（打開或關(guān)閉）和狀態(tài)變化。

我將首先解釋假設(shè)一切都已正確配置，中斷是如何工作的，然后我們將查看需要正確配置以使中斷工作的各個部分。

外設(shè)中斷標(biāo)志

讓我們假設(shè)與我們之前的示例類似，我們試圖檢測的事件是引腳值從 1 變?yōu)?0 時。在 GPIO 外設(shè)內(nèi)部，將有一個硬件檢測到這種變化并指示這種變化已經(jīng)發(fā)生將該引腳的所謂中斷標(biāo)志設(shè)置為 1。

如圖 2 所示。

圖 2.檢測到應(yīng)該產(chǎn)生中斷的事件后設(shè)置 GPIO 引腳中斷標(biāo)志。

中斷控制器和中斷控制器標(biāo)志

微控制器中有許多外圍設(shè)備，每個外圍設(shè)備都有自己的一組中斷。大多數(shù)微控制器都有一個硬件，通常稱為中斷控制器，它管理來自外設(shè)的所有中斷，決定運行哪個中斷，并中斷 CPU 以使其執(zhí)行正確的 ISR。

通常，中斷控制器有一個可能的中斷列表以及它們相應(yīng)的優(yōu)先級。我們的 GPIO 外設(shè)在中斷控制器保留的列表中可能有一個或多個中斷。

例如，對于 CC2544，有一組 8 個引腳是 GPIO 的一部分，稱為 PORT0。每個引腳標(biāo)記為 P0_0、P0_1，依此類推，直到 P0_7。雖然每個引腳都有自己的中斷標(biāo)志，但中斷控制器對整個端口只有一個中斷，P0INT。每當(dāng)設(shè)置GPIO 外設(shè)中的任何引腳標(biāo)志時，也會設(shè)置整個端口的中斷控制器中的標(biāo)志。

注意這里有兩個標(biāo)志，一個是特定引腳的標(biāo)志，它是 GPIO 外設(shè)的一部分，另一個是整個端口的中斷標(biāo)志，它是中斷控制器的一部分。如圖 3 所示。

圖 3.檢測到應(yīng)該產(chǎn)生中斷的事件后，在中斷控制器中設(shè)置 GPIO 引腳中斷標(biāo)志和中斷標(biāo)志。

向量表

許多微控制器使用所謂的中斷向量方法。在這種方法中，內(nèi)存中有一個向量表，它為每個中斷列出了 CPU 必須為該特定中斷執(zhí)行的 ISR 所在的地址。該地址通常稱為中斷向量。

例如，對于使用 8501 微控制器架構(gòu)的 CC2544，PORT0 的中斷向量是內(nèi)存地址 0x6B。當(dāng)中斷控制器告訴 CPU 有來自特定向量的中斷時，CPU 會做一些記錄，然后開始從該中斷向量執(zhí)行 ISR。這如圖 4 所示。

圖 4.在檢測到應(yīng)該產(chǎn)生中斷的事件后，在設(shè)置 GPIO 引腳中斷標(biāo)志和中斷控制器中的 GPIO 中斷標(biāo)志后執(zhí)行 GPIO 中斷向量的 ISR。

配置中斷行為

像 GPIO 這樣的外設(shè)通常讓您可以選擇配置哪些類型的事件會導(dǎo)致外設(shè)產(chǎn)生中斷。對于 GPIO，典型的選項是當(dāng)值從 0 變?yōu)?1 時，當(dāng)值從 1 變?yōu)?0 時，值的任何變化（即，0 到 1 或 1 到 0 但無所謂），或者當(dāng)值保持為 1 或 0。

根據(jù)微控制器的不同，這可以針對每個引腳或端口上的所有引腳完成。ATmega328P 有兩個引腳，您可以在其中單獨更改。默認(rèn)情況下，其他 GPIO 引腳會檢測引腳上的任何變化（0 到 1 或 1 到 0）?；叵胍幌?，在上一篇文章中，我們說明了中斷是如何工作的，我們假設(shè)引腳配置為僅檢測從 1 到 0 的變化。

此外，一些微控制器要求將感興趣的引腳配置為輸入，以便在事件發(fā)生時設(shè)置中斷標(biāo)志（例如，CC2544）。其他人（例如，ATmega328P）將設(shè)置標(biāo)志，無論引腳配置為輸出還是輸入。

中斷屏蔽

用于描述啟用和禁用中斷的常用術(shù)語是“屏蔽”。通常，可以在多個級別禁用中斷。CPU 可以啟用或禁用所有中斷，但通常有一些至關(guān)重要的中斷稱為不可屏蔽中斷，它們永遠(yuǎn)不會被禁用。

禁用 CPU 中的所有中斷實際上會停止中斷控制器和 CPU 之間的通信。這意味著 GPIO 外設(shè)中的 pin 標(biāo)志及其在控制器中的相應(yīng)中斷標(biāo)志將被設(shè)置；但是，CPU 不會得到中斷請求。這如圖 5 所示。

圖 5.在 CPU 級別全局禁用中斷。

可以屏蔽中斷的另一個級別是中斷控制器級別。在這里，我們可以啟用或禁用控制器內(nèi)部的特定中斷。

中斷示例：CC2544

一個具體的例子會有所幫助。假設(shè)我們正在使用 CC2544，并且禁用了 PORT0。假設(shè)引腳 P0_3 更改了其值，以便在 GPIO 外設(shè)中設(shè)置其標(biāo)志。PORT0 中斷標(biāo)志也會在中斷控制器中設(shè)置，但中斷控制器會忽略該標(biāo)志。

這與 CPU 禁用所有中斷不同，因為中斷控制器仍在與 CPU 通信。因此，例如，如果 PORT1 已啟用其中斷，并且引腳 P1_2 更改了其值，因此其標(biāo)志在 GPIO 外設(shè)中設(shè)置，并且 PORT1 中斷標(biāo)志也已設(shè)置，則中斷控制器將中斷 CPU 以處理該中斷。

中斷控制器忽略中斷向量標(biāo)志的情況如圖 6 所示。

圖 6.中斷控制器級別的中斷屏蔽。

大多數(shù)微控制器還允許在外設(shè)級別屏蔽中斷。在這里，我們可以啟用或禁用 GPIO 外設(shè)中特定引腳的中斷。

在我遇到的所有微控制器中，當(dāng)我們要查找的事件發(fā)生在 GPIO 外設(shè)中時，總是設(shè)置中斷標(biāo)志，無論該引腳的中斷是啟用還是禁用。例如，如果引腳 P0_3 以我們正在尋找的方式更改其值，則其標(biāo)志將在 GPIO 外設(shè)中設(shè)置。但是，GPIO 外設(shè)不會向中斷控制器發(fā)出警報，因此不會設(shè)置中斷控制器中的 PORT0 中斷標(biāo)志，并且由于我們需要設(shè)置該標(biāo)志才能中斷 CPU，因此不會發(fā)生中斷。這如圖 7 所示。

圖 7. GPIO 外設(shè)級別的中斷屏蔽

當(dāng)一個中斷被屏蔽時，它仍然會被檢測到。CPU只是不響應(yīng)它。如果中斷標(biāo)志沒有被清除并且中斷被完全取消屏蔽，那么如果它滿足所有其他條件（除了屏蔽），CPU 就會響應(yīng)它以執(zhí)行它。已檢測到并等待 CPU 執(zhí)行其 ISR 的中斷通常稱為待處理中斷。

圖 8 說明了中斷處于未決狀態(tài)，隨后又被取消屏蔽的情況。

圖 8. GPIO 級別的中斷屏蔽和取消屏蔽，假設(shè)中斷在中斷控制器和 CPU 級別取消屏蔽。

回顧一下，完全取消屏蔽中斷，以便在滿足中斷的所有其他條件時 CPU 可以響應(yīng)它：

必須在外設(shè)中啟用中斷（如果適用）。

它在中斷控制器中的相應(yīng)中斷也必須使能。

所有中斷必須由 CPU 啟用（即 CPU 和中斷控制器之間的通信必須啟用可屏蔽中斷）。

中斷優(yōu)先級

有時會同時發(fā)生兩個或多個導(dǎo)致中斷的事件。發(fā)生這種情況時，中斷控制器需要一種機制來知道應(yīng)該先執(zhí)行哪個中斷等等，因為 CPU 一次只能處理一個中斷。中斷控制器通常提供一種稱為優(yōu)先級的配置，允許用戶通過他們的代碼來指定哪些中斷是較高優(yōu)先級，哪些是較低優(yōu)先級。大多數(shù)還為每個中斷提供默認(rèn)設(shè)置。

每當(dāng)多個事件同時發(fā)生并導(dǎo)致多個中斷在中斷控制器處掛起時，中斷控制器就會選擇最高優(yōu)先級的中斷供 CPU 處理。中斷可以中斷（或搶占）已經(jīng)運行的中斷，因此如果 CPU 正在處理較低優(yōu)先級的中斷，并且發(fā)生與較高優(yōu)先級中斷相關(guān)的事件，控制器將中斷 CPU 以處理較高優(yōu)先級的中斷，并且 CPU 將恢復(fù)處理完成后被搶占的低優(yōu)先級中斷。圖 9 說明了中斷的優(yōu)先級和搶占是如何工作的。

圖 9.假設(shè)只有兩個中斷的優(yōu)先級中斷處理。

高優(yōu)先級和低優(yōu)先級中斷標(biāo)志同時設(shè)置。CPU 在低優(yōu)先級中斷之前執(zhí)行高優(yōu)先級中斷（因為當(dāng)高優(yōu)先級中斷完成時，它的標(biāo)志仍處于掛起狀態(tài)）

在 CPU 開始處理低優(yōu)先級中斷后，高優(yōu)先級中斷標(biāo)志被設(shè)置。高優(yōu)先級中斷搶占低優(yōu)先級中斷，CPU 執(zhí)行高優(yōu)先級中斷的 ISR 直到完成，然后恢復(fù)執(zhí)行低優(yōu)先級中斷的 ISR。請注意，CPU 會繼續(xù)執(zhí)行低優(yōu)先級中斷的 ISR，即使在執(zhí)行高優(yōu)先級中斷的 ISR 時它的標(biāo)志仍未設(shè)置。這是因為在執(zhí)行 ISR 之后，除非代碼干擾正常的中斷過程，否則 CPU 總是會恢復(fù)到它開始執(zhí)行 ISR 之前的任何狀態(tài)。它返回的這個狀態(tài)可能是另一個 ISR。

較低優(yōu)先級的中斷標(biāo)志設(shè)置在較高優(yōu)先級的中斷標(biāo)志之后。由于較低優(yōu)先級的中斷不能搶占較高優(yōu)先級的中斷，CPU 在響應(yīng)較低優(yōu)先級的中斷之前執(zhí)行較高優(yōu)先級的中斷 ISR 直到完成。

檢查和清除中斷標(biāo)志

前面我們看到，對于像 CC2544 這樣的一些微控制器，當(dāng) ISR 代碼開始執(zhí)行時，我們只知道哪個端口導(dǎo)致了中斷，而不知道具體的引腳。例如，如果 P0_3 改變它的值，它的標(biāo)志將在 GPIO 外設(shè)內(nèi)部設(shè)置，但 CPU 只執(zhí)行 ISR 以響應(yīng)來自中斷控制器的 PORT0 中斷標(biāo)志。檢查 ISR 中的 GPIO 外設(shè)中斷標(biāo)志可以告訴我們哪個特定引腳產(chǎn)生了中斷，以便我們做出相應(yīng)的響應(yīng)。

由于中斷標(biāo)志表明我們要查找的事件已經(jīng)發(fā)生，所以只要設(shè)置了中斷標(biāo)志，CPU每次有機會都會響應(yīng)中斷。例如，假設(shè) P0_3 只改變了一次狀態(tài)并導(dǎo)致其中斷標(biāo)志被設(shè)置。如果我們不設(shè)置標(biāo)志位，那么在 CPU 運行了與 PORT0 相關(guān)的 ISR 之后，它仍然會認(rèn)為有一個新的中斷，所以它會再次運行 ISR。

為了避免這種情況，我們需要清除中斷標(biāo)志。有時中斷標(biāo)志在 CPU 開始運行 ISR 時會自動清除；其他時候你必須自己清除標(biāo)志。微控制器的技術(shù)文檔會讓您知道是哪種情況。例如，CC2544 不會自動清除引腳中斷標(biāo)志，但 ATmega328P 會。如果您必須自己清除中斷，這通常是您在 ISR 代碼中做的第一件事，通常是在確定哪個引腳中斷導(dǎo)致 ISR 被執(zhí)行之后。

回顧：讓 GPIO 中斷工作

要將以上所有內(nèi)容放在一起，為了使 GPIO 中斷與您的代碼一起工作，您必須：

編寫一個 ISR，在其中你

確保清除任何需要清除的標(biāo)志

用所需的動作響應(yīng)中斷

將 ISR 與正確的中斷向量相關(guān)聯(lián)

配置要觸發(fā)中斷的 GPIO 事件。可能的選項可能并非全部適用于您的特定微控制器，僅從 0 更改為 1、僅從 1 更改為 0、任何更改（0 到 1 或 1 到 0）、穩(wěn)定為 1 或穩(wěn)定為 0 。

為 GPIO 內(nèi)的引腳啟用中斷。通常建議在啟用引腳中斷之前清除引腳的標(biāo)志。

啟用中斷控制器內(nèi)部的中斷。

確保 CPU 已啟用所有中斷。