Arduino中的中断

什么是中断

​ 中断(Interrupt)是一种在计算机中被广泛应用的一种重要的技术，它是一种CPU事件处理机制。其本质是一个电信号，这个信号由某个硬件或软件产生并由处理器处理。当处理器接收到中断信号时会暂停当前任务，跳到一个叫中断服务例程(ISR)的一段程序中处理中断，当中断被处理完成后，CPU将回到原来的任务继续工作。与中断相对的事件处理机制是轮询，顾名思义就是不断的询问相关的硬件是否做好准备。
​ 中断的一个比较常见的例子是磁盘读写。我们都知道，磁盘的速度与CPU的速度不在一个数量级上面(ms和ns的区别)，当CPU希望从磁盘上面拷贝一个或多个扇区到内存时，如果采用轮询的方法，CPU需要在这个过程中不断的将数据从磁盘读入寄存器，再从寄存器写入到内存中。需要注意的是CPU与磁盘的速度有着巨大的差异，两者相差将近6个数量级，这样会使得CPU在把大部分的时间都花在等待磁盘响应上面，这无疑是一种浪费——在磁盘读写期间CPU完全可以进行其他的运算，却浪费在了无意义的等待上面。而如果使用中断的方法，CPU将会把磁盘请求发送给一个叫DMA控制器的硬件，然后把当前任务挂起，先执行其他任务。DMA会“接管”这个工作，有它负责代替CPU完成轮询的工作，并通过总线直接将数据写到内存上面。复制完成后，它会触发一个中断通知CPU已经复制完成，CPU响应后就可以继续执行请求磁盘读写的任务。这样一来，CPU就不再需要等待拖拉的磁盘了。事实上，现代计算机都离不开中断，我们对计算机的任何的一个操作(包括鼠标或键盘)，都会触发相应的中断，系统调用也需要通过中断完成(起码经典过程是如此)。
​ 根据中断的来源，我们可以把中断分为软中断和硬中断，顾名思义他们分别就是由软件和硬件触发的中断。

在Arduino中使用中断

​ Arduino中主要有时钟中断和外部中断，本文所说的中断指的是外部中断。Arduino中的外部中断通常是由Pin口（数字Pin口,不是模拟口）电平改变触发的。每种型号的Arduino版都有数个Pin口可以用来注册中断，具体如下:

开发板	可以用来注册中断的Pin口
Uno, Nano, Mini, other 328-based	2, 3
Uno WiFi Rev.2	所有数字口
Mega, Mega2560, MegaADK	2, 3, 18, 19, 20, 21
Micro, Leonardo, other 32u4-based	0, 1, 2, 3, 7
Zero	除了4号口外的所有数字口
MKR Family boards	0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A1, A2
Due	所有数字口
101	所有数字口 (只有 2, 5, 7, 8, 10, 11, 12, 13数字口可以使用CHANGE类型中断,中断类型在下文有介绍)

注册中断主要是通过attachInterrupt()函数实现的，其原型为：

void attachInterrupt(uint8_t interruptNum, void (*userFunc)(void), int mode);

1. 第一个参数为中断号，Arduino上每个可以注册中断的Pin口都会被分配一个中断号，这里需要传入的是中断号而不是Pin口号。但是不同的Arduino开发板上面的中断号分配并不完全一样。各个开发板的Pin口号和中断号对应关系如下：

   开发板	中断号0	中断号1	中断号2	中断号3	中断号4	中断号5
   Uno, Ethernet	PIN 2	PIN 3
   Mega2560	PIN 2	PIN 3	PIN 21	PIN 20	PIN 19	PIN 18
   基于32u4的开发板 如 Leonardo, Micro	PIN 3	PIN 2	PIN 0	PIN 1	PIN 7

   从上表中可以看出同一个Pin口在不同的开发板上可能会有不同的中断号，这势必会影响程序的可移植性。幸运的是，Arduino还提供了另一个函数digitalPinToInterrupt(int)。从名字就能看出，这个函数能输入Pin口号并输出对应的中断号。需要注意的是，输入的Pin口号需要在上述的支持列表当中。所以，Arduino官方推荐我们使用

   attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode); 
   

   这种方式来注册中断号。

2. 第二个参数是中断服务例程(ISR)的函数指针，在C/C++中直接写该函数的函数名即可。在触发时，该函数将会被调用。该函数必须没有任何的参数也没有任何的返回值。

3. 第三个参数是中断触发条件，由几个可选的值：

   LOW 当中断所在Pin口处于低电平时触发

   CHANGE 当中断所在Pin口电平改变时触发

   RISING 当中断所在Pin口从低电平变为高电平(上升沿)时触发

   FALLING 当中断所在Pin口从高电平变为低电平(下降沿)时触发

   对于Due,Zero和MKR1000开发板，还有一个HIGH表示当中断所在Pin口处于高电平时触发

在Arduino中使用中断需要注意的问题

1. 由于中断会打断正常代码的运行，因此ISR的应该尽可能快地执行完毕。
2. 在ISR中修改的全局变量要用volatile修饰符修饰以防止编译器优化
3. 在ISR中不能使用其他用中断实现的函数，如millis() delay() 等。延时可以使用 delayMicroseconds()，它不是用中断实现的。