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AVR-Tutorial: Interrupts
[bearbeiten] DefinitionBei bestimmten Ereignissen in Prozessoren wird ein sogenannter Interrupt ausgelöst. Dabei wird das Programm unterbrochen und ein Unterprogramm aufgerufen. Wenn dieses beendet ist, läuft das Hauptprogramm ganz normal weiter. [bearbeiten] Mögliche AuslöserBei Mikrocontrollern werden Interrupts z.B. ausgelöst wenn:
Der ATmega8 besitzt 18 verschiedene Interruptquellen. Standardmäßig sind diese alle deaktiviert und müssen über verschiedene IO-Register einzeln eingeschaltet werden. [bearbeiten] INT0, INT1 und die zugehörigen RegisterWir wollen uns hier erst mal die beiden Interrupts INT0 und INT1 anschauen. INT0 wird ausgelöst, wenn sich der an PD2 anliegende Wert ändert, INT1 reagiert auf Änderungen an PD3. Als erstes müssen wir die beiden Interrupts konfigurieren. Im Register MCUCR wird eingestellt, ob die Interrupts bei einer steigenden Flanke (low nach high) oder bei einer fallenden Flanke (high nach low) ausgelöst werden. Dafür gibt es in diesem Register die Bits ISC00, ISC01 (betreffen INT0) und ISC10 und ISC11 (betreffen INT1). Hier eine Übersicht über die möglichen Einstellungen und was sie bewirken:
Danach müssen diese beiden Interrupts aktiviert werden, indem die Bits INT0 und INT1 im Register GICR auf 1 gesetzt werden. Die Register MCUCR und GICR gehören zwar zu den IO-Registern, können aber nicht wie andere mit den Befehlen cbi und sbi verwendet werden. Diese Befehle wirken nur auf die IO-Register bis zur Adresse 0x1F (welches Register sich an welcher IO-Adresse befindet, steht in der Include-Datei, hier "m8def.inc", und im Datenblatt des Controllers). Somit bleiben zum Zugriff auf diese Register nur die Befehle in und out übrig. [bearbeiten] Interrupts generell zulassenSchließlich muss man noch das Ausführen von Interrupts allgemein aktivieren, was man durch einfaches Aufrufen des Assemblerbefehls sei bewerkstelligt. [bearbeiten] Die InterruptvektorenWoher weiß der Controller jetzt, welche Routine aufgerufen werden muss wenn ein Interrupt ausgelöst wird? Wenn ein Interrupt auftritt, dann springt die Programmausführung an eine bestimmte Stelle im Programmspeicher. Diese Stellen sind festgelegt und können nicht geändert werden:
So, wir wissen jetzt, dass der Controller zu Adresse 0x001 springt, wenn INT0 auftritt. Aber dort ist ja nur Platz für einen Befehl, denn die nächste Adresse ist doch für INT1 reserviert? Ganz einfach: Dort kommt ein Sprungbefehl rein, z.B. rjmp interrupt0. Irgendwo anders im Programm muss in diesem Fall eine Stelle mit interrupt0: gekennzeichnet sein, an die dann gesprungen wird. Diese durch den Interrupt aufgerufene Routine nennt man Interrupthandler (engl. Interrupt Service Routine, ISR). [bearbeiten] Beenden eines InterrupthandlersUnd wie wird die Interruptroutine wieder beendet? Durch den Befehl reti. Wird dieser aufgerufen, dann wird das Programm ganz normal dort fortgesetzt, wo es durch den Interrupt unterbrochen wurde. Es ist dabei wichtig, daß hier der Befehl reti und nicht ein normaler ret benutzt wird. Wird ein Interrupt Handler betreten, so sperrt der Microkontroller automatisch alle weiteren Interrupts. Im Unterschied zu ret, hebt ein reti diese Sperre wieder auf. [bearbeiten] Aufbau der InterruptvektortabelleJetzt müssen wir dem Assembler nur noch klarmachen, dass er unser rjmp interrupt0 an die richtige Stelle im Programmspeicher schreibt, nämlich an den Interruptvektor für INT0. Dazu gibt es die Assemblerdirektive. Durch .org 0x001 sagt man dem Assembler, dass er die darauffolgenden Befehle ab Adresse 0x001 im Programmspeicher platzieren soll. Diese Stelle wird von INT0 angesprungenen. Damit man nicht alle Interruptvektoren immer nachschlagen muss, sind in der Definitionsdatei m8def.inc einfach zu merkende Namen für die Adressen definiert. Statt 0x001 kann man z.B. einfach INT0addr schreiben. Das hat außerdem den Vorteil, dass man bei Portierung des Programms auf einen anderen AVR-Mikrocontroller nur die passende Definitionsdatei einbinden muss, und sich über evtl. geänderte Adressen für die Interruptvektoren keine Gedanken zu machen braucht. Nun gibt es nur noch ein Problem: Beim Reset (bzw. wenn die Spannung eingeschaltet wird) wird das Programm immer ab der Adresse 0x000 gestartet. Deswegen muss an diese Stelle ein Sprungbefehl zum Hauptprogramm erfolgen, z.B. rjmp RESET um an die mit RESET: markierte Stelle zu springen. Wenn man mehrere Interrupts verwenden möchte, kann man auch, anstatt jeden Interruptvektor einzeln mit .org an die richtige Stelle zu rücken, die gesamte Sprungtabelle ausschreiben:
Hier ist es unbedingt nötig, bei unbenutzten Interruptvektoren statt des Sprungbefehls den Befehl reti reinzuschreiben. Wenn man einen Vektor einfach weglässt stehen die nachfolgenden Sprungbefehle sonst alle an der falschen Adresse im Speicher. Wer auf Nummer sicher gehen möchte kann aber auch alle Vektoren einzeln mit .org adressieren:
Statt die unbenutzten Interruptvektoren mit reti zu füllen könnte man sie hier auch einfach weglassen, da die .org-Direktive dafür sorgt dass jeder Vektor in jedem Fall am richtigen Ort im Speicher landet. [bearbeiten] BeispielSo könnte ein Minimal-Assemblerprogramm aussehen, das die Interrupts INT0 und INT1 verwendet:
Für dieses Programm braucht man nichts weiter als eine LED an PB0 und je einen Taster an PD2 (INT0) und PD3 (INT1). Wie diese angeschlossen werden, steht in Teil 2 des Tutorials. Die Funktion ist auch nicht schwer zu verstehen: Drückt man eine Taste, wird der dazugehörige Interrupt aufgerufen und die LED an- oder abgeschaltet. Das ist zwar nicht sonderlich spektakulär, aber das Prinzip sollte deutlich werden. Meistens macht es keinen Sinn, Taster direkt an einen Interrupteingang anzuschließen. Das kann bisweilen sogar sehr schlecht sein, siehe Entprellung. Häufiger werden Interrupts in Zusammenhang mit dem UART verwendet, um z.B. auf ein empfangenes Zeichen zu reagieren. Wie das funktioniert, wird im Kapitel über den UART beschrieben. [bearbeiten] Besonderheiten des InterrupthandlersDer Interrupthandler kann ja mehr oder weniger zu jedem beliebigen Zeitpunkt unabhängig vom restlichen Programm aufgerufen werden. Dabei soll das restliche Programm auf keinen Fall durch den Interrupthandler negativ beeinflusst werden, das heißt das Hauptprogramm soll nach dem Beenden des Handlers weiterlaufen als wäre nichts passiert. Insbesondere muss deshalb darauf geachtet werden, dass im Interrupthandler Register, die vom Programmierer nicht ausschließlich nur für den Interrupthandler reserviert wurden, auf dem Stack gesichert und zum Schluss wieder hergestellt werden müssen. Ein Register das gerne übersehen wird ist das Status Register. In ihm merkt sich der Prozessor bestimmte Zustände von Berechnungen, z. B. ob ein arithmetischer Überlauf stattgefunden hat, ob das letzte Rechenergebnis 0 war, etc. Sobald ein Interrupthandler etwas komplizierter wird als im obigen Beispiel, tut man gut daran, das SREG Register auf jeden Fall zu sichern. Ansonsten kann das Hinzufügen von weiterem Code zum Interrupthandler schnell zum Boomerang werden: Die dann möglicherweise notwendige Sicherung des SREG Registers wird vergessen. Überhaupt empfiehlt es sich, in diesen Dingen bei der Programmierung eines Interrupthandlers eher vorausschauend, übervorsichtig und konservativ zu programmieren. Wird dies getan, so vergeudet man höchstens ein bischen Rechenzeit. Im anderen Fall handelt man sich allerdings einen Super-GAU ein: Man steht dann vor einem Programm, das sporadisch nicht funktioniert und keiner weiss warum. Solche Fehler sind nur sehr schwer und oft nur mit einem Quäntchen Glück zu finden. Im Beispiel wäre zwar das Sichern und Wiederherstellen der Register temp und SREG nicht wirklich notwendig, aber hier soll die grundsätzliche Vorgehensweise gezeigt werden:
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