【CIRCUS Pi】ESP32教學系列：硬體中斷

Posted By CIRCUS Pi on 12 月 25, 2024 in CIRCUS Pi, ESP32, TinyML, 教學文 | 0 comments

常見的微控制器系列，例如Arduino的ATmega系列（像是ATmega328P）、STM32系列、PIC系列，或是ESP32，通常都支援多種不同的中斷類型。ESP32可以用硬體中斷來處理外部硬體或模組引起的中斷，像是GPIO或是觸碰（TOUGH）中斷；用軟體中斷處理定時器中斷，本篇主要說明的是硬體中斷。

什麼是中斷？

中斷（Interrupt）是一種在微控制器在執行主要工作時，仍然能夠立即回應外部事件的一種機制。一個設計得當的中斷，不僅可以簡化程式邏輯，還能提高處理器的執行效率。我們可以用中斷來偵測開關、旋轉編碼器，或是光遮斷器等的變化。要理解中斷，讓我們先用一個例子來說明。

假如要偵測一個按鈕是否被按下，我們可能會這樣寫：

int buttonPin = 25;  // 將按鈕連接到 GPIO 25
bool buttonState = 0;

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);
}

void loop() {
  // 反覆檢查按鈕狀態
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  if (buttonState == HIGH) {
    // 執行按下按鈕的相應處理
    delay(30);  // 避免開關彈跳
  }

  // 執行主程式的其他任務
  // ...
}

像這樣依照程式流程定時且反覆檢查數值的方法就稱做輪詢。在不使用中斷的情況下，通常會使用輪詢來檢查外部事件，優點是程式寫起來直覺、好理解，但是這其實會讓ESP32的CPU在很低的效率下運作，因為系統需要在主程式迴圈中不斷的檢查GPIO的狀態。如果主程式區塊還有很多需要處理的任務，檢查的速度也會變慢。

而使用中斷的好處是，只要特定的接腳偵測到狀態發生變化，就能立即「中斷」CPU現在正在做的事情，優先處理目前的事件下要完成的任務。

換句話說，中斷機制允許系統只在事件發生時才進行處理，這麼一來就能節省不必要的處理器運算和電力消耗，而我們也能確保特定事件發生時可以被即時的處理，是不是一舉多得呢？

ISR（Interrupt Survice Routine）

從上面的例子中，我們可以知道中斷的核心概念是「事件驅動」。當有更優先、更需要即時處理的事件發生時，CPU就能夠在最短的時間內反應並且處理完畢，不需要經過輪詢的等待時間。

當中斷發生時，CPU會暫時停止執行主程式，轉而執行相應的處理程序。用中斷的術語來說，這個處理程序叫做「中斷服務程序 (Interrupt Survice Routine, ISR)」。 ISR是專門用來處理中斷事件的一段特殊函式，負責處理中斷發生後要執行的任務或是操作，它不能傳入任何參數，也不會回傳任何內容。當ISR完成任務後，CPU會返回主程式繼續執行原本的程式。

ISR具有以下特點：

• CPU一次只能處理一個ISR；
• 發生多個中斷時，會依照ISR的優先順序執行；
• 每個ISR都專注於處理特定的事件；
• ISR越簡單越好，要盡可能保持很短的執行時間，才能減少對系統的干擾；
• 處理中斷時，通常會使用全域變數在ISR和主程式之間傳遞資料，為了確保ISR跟主程式共享的變數可以正常更新，會將變數宣告成volatile型態(讓變數可以被多個執行緒訪問)。

ESP32的GPIO中斷

ESP32的內部使用中斷矩陣來處理許多不同的中斷來源。

所有ESP32能使用的GPIO都可以拿來當作GPIO中斷接腳，其中10隻接腳支援觸碰感測器（touch sensor）中斷（請參考進階功能章節）。

接下來說明中斷常用的語法：

設定中斷

在Arduino IDE中，我們透過將GPIO接腳與對應的ISR函式綁定來啟用中斷，設定中斷時可以使用 attachInterrupt

attachInterrupt(GPIO_pin, ISR, mode);

參數說明：

• GPIO_pin: 將其設定為中斷接腳
• ISR: 當此中斷發生後要執行的ISR函式
• mode: 定義中斷觸發的條件。有八種模式可以選擇。

//Interrupt Modes
#define DISABLED  0x00
#define RISING    0x01
#define FALLING   0x02
#define CHANGE    0x03
#define ONLOW     0x04
#define ONHIGH    0x05
#define ONLOW_WE  0x0C
#define ONHIGH_WE 0x0D

Tips:

在Arduino-esp32核心函式庫的esp32-hal-gpio.h檔案中可以找到這些模式的定義。

說明：

• DISABLED: 禁用GPIO中斷
• RISING: 上升邊沿觸發（rising edge trigger）
• FALLING: 下降邊沿觸發（falling edge trigger）
• CHANGE: 任意邊沿觸發 （any edge trigger）
• ONLOW: 低電位觸發（low level trigger）
• ONHIGH: 高電位觸發（high level trigger）
• ONLOW_WE和ONHIGH_WE是當ESP32在 Light-sleep模式下用來喚醒CPU的中斷，一般比較少使用到。”WE”是wakeup enable的縮寫。

關閉中斷

detachInterrupt語法可以用來關閉中斷，取消ESP32對特定接腳的監聽。

detachInterrupt(GPIO_pin);

當我們關閉特定接腳的中斷時，需要再次呼叫attachInterrupt 或是重新啟動系統才能重新啟用中斷。

中斷服務程序(ISR)

ISR函式會在中斷被呼叫時執行，它的語法結構看起來會像這樣：

void IRAM_ATTR ISR() {
    // 中斷函式內容
}

其中ISR是自訂的函式名稱，而IRAM_ATTR的意思是將ISR函式存放在IRAM（Instruction RAM），而不是flash。從IRAM讀取ISR 函式可以加快載入速度。

接下來，讓我們用實際的範例來了解如何使用GPIO中斷。

範例1：使用按鈕改變LED狀態

這個範例使用按鈕觸發ESP32的GPIO中斷，當按鈕狀態有變化（上升或下降）時，LED的狀態也會跟著改變。