Организация прерываний (Interrupts) в микроконтроллерах

1. Введение: зачем нужны прерывания

Прерывание (interrupt) — механизм, позволяющий микроконтроллеру (МК) временно приостановить выполнение основной программы для обработки срочного события, а затем вернуться к ней.

Ключевые задачи:

• реакция на внешние события в реальном времени;
• эффективное управление ресурсами (не нужно «опрашивать» устройства в цикле);
• разделение задач по приоритетам;
• энергосбережение (CPU может находиться в режиме сна до прерывания).

Примеры событий, вызывающих прерывания:

• нажатие кнопки;
• приём байта по UART;
• переполнение таймера;
• срабатывание АЦП;
• ошибка питания.

2. Классификация прерываний

2.1. По источнику

• Аппаратные — генерируются внешними устройствами или периферией МК (GPIO, UART, таймеры).
• Программные — инициируются командами в коде (например, SWI в ARM).
• Исключения (exceptions) — ошибки выполнения (деление на ноль, нарушение доступа к памяти).

2.2. По приоритету

• Высокоприоритетные — обрабатываются немедленно (например, аварийные сигналы).
• Низкоприоритетные — могут быть отложены при обслуживании более важных прерываний.

2.3. По типу обслуживания

• Векторные — каждый источник имеет свой вектор (адрес обработчика).
• Опрашиваемые — CPU сам определяет источник после входа в общий обработчик.

3. Архитектура системы прерываний

3.1. Основные компоненты

1. Контроллер прерываний (Interrupt Controller, IC):
   • принимает запросы от источников;
   • определяет приоритет;
   • формирует сигнал прерывания для CPU.
2. Векторная таблица (Interrupt Vector Table, IVT):
   • массив адресов обработчиков (по одному на каждый источник).
3. Регистры состояния и управления:
   • флаги запросов (IRQ Flags);
   • маски прерываний (Interrupt Mask);
   • регистры приоритета.
4. Линия запроса прерывания (IRQ Pin) — физический сигнал от периферии к CPU.

3.2. Типовая последовательность обработки

1. Устройство устанавливает сигнал IRQ.
2. Контроллер прерываний:
   • проверяет маски и приоритеты;
   • если разрешено — сигнализирует CPU.
3. CPU:
   • сохраняет контекст (регистры, PC, флаги);
   • отключает прерывания (или понижает приоритет);
   • переходит к обработчику по вектору.
4. Обработчик выполняет действия (чтение данных, сброс флага и т.п.).
5. CPU восстанавливает контекст и возвращается к основной программе.

4. Управление прерываниями: регистры и флаги

4.1. Ключевые регистры

• Interrupt Request Register (IRR) — отражает текущие запросы.
• Interrupt Mask Register (IMR) — битовая маска разрешённых прерываний.
• Interrupt Priority Register (IPR) — уровни приоритета для каждого источника.
• Status Register (SREG) — глобальный флаг разрешения прерываний (например, бит I в AVR).

4.2. Операции с прерываниями

• Разрешение/запрет:
  • глобально (через бит I);
  • индивидуально (установка битов в IMR).
• Сброс флага запроса — часто требуется явно в обработчике.
• Изменение приоритета — динамическая настройка.

5. Обработчики прерываний (ISR)

5.1. Особенности реализации

• Компактность — минимизация времени выполнения.
• Атомарность — избегание блокировок и долгих операций.
• Безопасность — сохранение/восстановление регистров.
• Минимальный стек — ограничение на глубину вызовов.

5.2. Пример кода (AVR GCC)

ISR(USART_RX_vect) {
    char data = UDR0;          // Чтение принятого байта
    buffer[buf_index++] = data;
    if (buf_index >= BUFFER_SIZE) {
        buf_index = 0;
    }
}

5.3. Ограничения

• Нельзя использовать delay() и другие функции, зависящие от таймера.
• Опасно работать с динамической памятью (malloc/free).
• Избегать вложенных прерываний без явного разрешения.

6. Приоритеты и вложенные прерывания

6.1. Система приоритетов

• Каждый источник имеет уровень приоритета (например, 0–7).
• CPU обслуживает прерывание с наивысшим приоритетом.
• Низкоприоритетные могут быть отложены.

6.2. Вложенные прерывания (Nested Interrupts)

• Разрешено, если:
  • текущий ISR не отключил прерывания глобально;
  • новое прерывание имеет более высокий приоритет.
• Требует аккуратного управления стеком и флагами.

6.3. Механизмы вытеснения

• Preemption — высокоприоритетное прерывание прерывает низкоприоритетное.
• Polling — если приоритеты равны, обработка по порядку поступления.

7. Специфические типы прерываний

7.1. Прерывания от таймеров

• Переполнение (Timer Overflow) — счётчик достиг максимума.
• Сравнение (Compare Match) — значение счётчика равно регистру сравнения.
• Захват (Input Capture) — фиксация времени внешнего события.

Применение:

• генерация ШИМ;
• измерение длительности импульсов;
• периодические задачи (например, опрос датчиков).

7.2. Прерывания от UART/SPI/I²C

• Приём данных (RX Complete) — байт в буфере.
• Передача завершена (TX Complete) — буфер пуст.
• Ошибка (Overrun, Parity Error).

Особенности:

• буферизация данных;
• контроль переполнения.

7.3. Прерывания от GPIO

• Фронт (Rise/Fall) — изменение уровня.
• Уровень (High/Low) — длительное состояние.
• Смена состояния (Any Logic Change).

Применение:

• кнопки и переключатели;
• энкодеры;
• датчики с цифровым выходом.

8. Энергосбережение и прерывания

8.1. Режимы сна

• Idle — CPU остановлен, периферия работает (прерывания активны).
• Power-down — почти всё отключено, только внешние прерывания и сторожевой таймер.

8.2. Пробуждение от прерывания

• Прерывание выводит МК из режима сна.
• После обработки ISR программа продолжает выполнение.

Пример:

• МК спит в Power-down.
• Нажатие кнопки генерирует IRQ.
• МК просыпается, выполняет ISR, снова засыпает.

9. Отладка и диагностика

9.1. Типичные ошибки

• Потерянные прерывания — не сброшен флаг запроса.
• Конфликты приоритетов — низкоприоритетные не обслуживаются.
• Переполнение стека — слишком глубокие вложенные ISR.
• Гонка данных — несогласованный доступ к переменным.

9.2. Инструменты отладки

• Логический анализатор — захват сигналов IRQ.
• Отладчик (JTAG/SWD) — пошаговое выполнение ISR.
• Осциллограф — измерение времени реакции.
• Счётчики событий — статистика по прерываниям.

9.3. Методы тестирования

• Искусственная генерация прерываний (через регистры).
• Замер времени выполнения ISR.
• Проверка восстановления контекста.

10. Особенности в разных архитектурах

10.1. AVR (Atmel/Microchip)

• Векторная таблица в начале Flash.
• Бит I в SREG для глобального разрешения.
• Отдельные регистры масок для каждой периферии.

10.2. ARM Cortex-M

• NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) — продвинутый контроллер.
• Поддержка до 240 источников с приоритетами.
• Автоматическое сохранение контекста.
• Регистры ICSR, AIRCR для управления.

10.3. PIC (Microchip)

• Единый вектор прерывания (требуется опрос источников).
• Ограниченные возможности приоритезации.
• Явное сохранение/восстановление