Программирование микроконтроллеров на языке C: работа с прерываниями, прямой доступ к памяти (DMA)

Введение

Микроконтроллеры (МК) — «мозги» встраиваемых систем: от бытовой техники до промышленного оборудования. Их эффективность зависит от умения программиста:

• управлять событиями в реальном времени (через прерывания);
• оптимизировать обмен данными (с помощью DMA);
• работать с периферией на низком уровне.

В статье разберём:

• архитектуру прерываний в МК;
• синтаксис и семантику обработчиков прерываний на C;
• принципы работы DMA;
• примеры кода для популярных платформ (STM32, AVR).

1. Прерывания: концепция и назначение

1.1. Что такое прерывание

Прерывание — сигнал, заставляющий процессор:

1. Приостановить выполнение основного кода (фоновой задачи).
2. Переключиться на обработчик прерывания (Interrupt Service Routine, ISR).
3. После обработки — вернуться к фоновой задаче.

Цели:

• реагировать на внешние события (нажатие кнопки, приём байта по UART);
• обслуживать таймеры (счётчики, ШИМ);
• обрабатывать ошибки (переполнение, сбой питания).

1.2. Типы прерываний

• Аппаратные (от периферии):
  • GPIO (изменение уровня на пине);
  • UART/SPI/I²C (приход данных);
  • таймер (переполнение, сравнение);
  • АЦП (завершение преобразования).
• Программные (вызываются инструкцией в коде).
• Исключения (сбои: деление на ноль, неверный адрес).

1.3. Векторная таблица прерываний

Каждый тип прерывания имеет:

• номер (IRQ number);
• вектор — адрес обработчика в памяти.

При срабатывании:

1. Процессор читает вектор из таблицы.
2. Сохраняет контекст (регистры, PC, PSW).
3. Переходит на ISR.
4. После reti (return from interrupt) — восстанавливает контекст.

1.4. Приоритеты и вложенность

• Приоритет определяет, какое прерывание обслуживается первым.
• Вложенность — возможность прервать ISR более приоритетным прерыванием.
• В ARM Cortex‑M: система NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) управляет приоритетами.

2. Программирование прерываний на C

2.1. Синтаксис обработчика (на примере GCC для AVR)

ISR(USART_RX_vect) {
    char data = UDR0;  // Читаем принятый байт
    // Обработка данных
}

Особенности:

• Макрос ISR(vector) генерирует правильный ассемблерный эпилог/пролог.
• Имя вектора (USART_RX_vect) зависит от МК (см. даташит).

2.2. Синтаксис для ARM Cortex‑M (STM32)

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) {  // Приём байта
        char data = USART1->DR;
        // Обработка
    }
    if (USART1->SR & USART_SR_TXE) {  // Буфер передатчика пуст
        USART1->DR = 'A';  // Отправляем байт
    }
}

Важно:

• Обработчики именуются по стандарту (см. startup_stm32f10x.s).
• Нужно явно проверять флаги (может сработать несколько условий).

2.3. Включение прерываний

Шаги:

1. Разрешить прерывание в периферии:USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE; // Разрешить RXNE
2. Установить приоритет (для Cortex‑M):NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 1);
3. Включить прерывание в NVIC:NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
4. Разрешить глобальные прерывания:__enable_irq(); // или __set_PRIMASK(0)

2.4. Правила написания ISR

• Краткость: ISR должен выполняться за микросекунды.
• Атомарность: избегайте длинных операций (делений, плавающей точки).
• Защита данных:
  • используйте volatile для переменных, изменяемых в ISR;
  • блокируйте прерывания на время критических секций:__disable_irq(); // Критический код __enable_irq();
• Отсутствие блокировок: не ждите событий внутри ISR.
• Экономия стека: локальные переменные в ISR расходуют стек.

2.5. Пример: обработка кнопки через прерывание (AVR)

volatile uint8_t button_pressed = 0;

ISR(INT0_vect) {
    button_pressed = 1;
}

int main(void) {
    DDRD &= ~(1 << PD2);  // Пин как вход
    PORTD |= (1 << PD2);   // Подтяжка вверх
    EICRA |= (1 << ISC01); // Прерывание по спаду
    EIMSK |= (1 << INT0);   // Включить INT0
    sei();                // Глобальные прерывания

    while (1) {
        if (button_pressed) {
            // Действие при нажатии
            button_pressed = 0;
        }
    }
}

3. Прямой доступ к памяти (DMA): концепция

3.1. Зачем нужен DMA

Без DMA:

• Процессор читает/пишет каждый байт через регистры периферии.
• Нагрузка на CPU: 10–50% при интенсивном обмене.

С DMA:

• Периферия (АЦП, UART) передаёт данные в память без участия CPU.
• CPU лишь настраивает DMA и получает прерывание по завершении.

Выгоды:

• снижение нагрузки на процессор;
• стабильная пропускная способность;
• возможность фоновой передачи во время вычислений.

3.2. Как работает DMA

1. Настройка:
   • источник/приёмник (адрес периферии, адрес в RAM);
   • количество элементов;
   • размер элемента (байт, полуслово, слово);
   • режим (циркулярный, однократный).
2. Запуск:
   • периферия генерирует запрос DMA (например, АЦП завершил преобразование).
3. Передача:
   • DMA‑контроллер перемещает данные;
   • CPU свободен.
4. Завершение:
   • DMA генерирует прерывание;
   • ISR обрабатывает результат.

3.3. Режимы DMA

• Однократный — передача N элементов, затем остановка.
• Циркулярный — буфер перезаписывается циклически (для аудио, потоковых данных).
• Двойной буфер — переключение между двумя буферами (минимизация задержек).

4. Программирование DMA на C (пример для STM32)

4.1. Настройка DMA для АЦП

void dma_adc_init(void) {
    // 1. Включить часы для DMA1 и ADC1
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    RCC->AHBENR  |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    // 2. Настроить АЦП
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;  // Включить АЦП
    ADC1->SQR3 = 0;             // Канал 0
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTTRIG; // Внешний триггер

    // 3. Настроить DMA1 Channel1
    DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&ADC1->DR;    // Источник: регистр данных АЦП
    DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)adc_buffer;   // Приёмник: буфер в RAM
    DMA1_Channel1->CNDTR = ADC_BUFFER_SIZE;       // Количество элементов
    DMA1_Channel1->CCR = DMA_CCR_EN            // Включить DMA
                        | DMA_CCR_DIR           // Чтение из периферии
                        | DMA_CCR_MINC          // Инкремент памяти
                        | DMA_CCR_PSIZE_0       // Размер: байт
                        | DMA_CCR_MSIZE_0      // Размер: байт
                        | DMA_CC