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中断、MsTimer2、Ticker、多任务功能详解

news 2025/8/4 17:57:49

Arduino中断

CPU执行时原本是按程序指令一条一条向下顺序执行的。但如果此时发生了某一事件B请求CPU迅速去处理(中断发生)，CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B(中断响应和中断服务). 待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来被中断的地方继续执行程序(中断返回)，这一过程称为中断。

Arduino有两种形式的中断：

● 外部输入

● 引脚状态变化

1.外部中断（INT0、INT1）

1. 本质与特点

硬件专属中断引脚：ATmega168/328 芯片仅支持 2 个外部中断通道，分别命名为 INT0 和 INT1。
对应物理引脚：这两个中断通道固定映射到 Arduino 开发板的引脚 2（INT0）和引脚 3（INT1），不可更改。
触发方式：通过attachInterrupt()函数配置，可选择以下触发模式：
- LOW（低电平）
- CHANGE（电平变化）
- RISING（上升沿）
- FALLING（下降沿）
- HIGH：高电平触发（仅适用于 Arduino Due）。

2. 适用场景

需要对特定引脚的状态变化进行高优先级响应（如紧急按钮、高速脉冲计数）。
优势：中断响应速度极快，因为硬件直接支持。

2.引脚变化中断（Pin Change Interrupts）

1. 本质与特点

全局中断机制：ATmega168/328 芯片支持3 组引脚变化中断（PCINT0、PCINT1、PCINT2），每组对应多个物理引脚：
- PCINT0 组：引脚 0~7（对应 Arduino 引脚 D0~D7）。
- PCINT1 组：引脚 8~13（对应 Arduino 引脚 D8~D13）。
- PCINT2 组：引脚 14~20（仅适用于 ATmega328P，对应 Arduino 引脚 A0~A5 和未定义引脚）。
关键特性：
- 任何引脚均可触发：只要属于某一组 PCINT，该组内的所有引脚状态变化都会触发中断。
- 无法指定单个引脚：只能按组配置中断，无法单独监听某个引脚（需在中断服务程序中自行判断具体是哪根引脚变化）。

2. 触发方式

仅支持电平变化触发：只要引脚电平发生变化（上升沿或下降沿），该组中断就会被触发。
不支持高 / 低电平持续触发：无法像外部中断一样配置为 LOW 或 HIGH 模式。

3. 如何使用？

需手动配置寄存器：Arduino 核心库未直接提供attachPinChangeInterrupt()之类的函数，需通过底层寄存器操作实现。

示例代码（监听引脚 4 的电平变化）：

volatile bool pin4Changed = false;void setup() {pinMode(4, INPUT_PULLUP); // 假设使用上拉电阻// 使能 PCINT0 组中断（引脚 0~7 属于 PCINT0）PCMSK0 |= (1 << PCINT4); // 使能引脚 4 的中断掩码PCICR |= (1 << PCIE0);   // 使能 PCINT0 组的中断sei();                   // 开启全局中断
}// 引脚变化中断服务程序（需通过 ISR 关键字声明组别）
ISR(PCINT0_vect) {if (digitalRead(4) == LOW) { // 假设下降沿触发pin4Changed = true;}
}void loop() {if (pin4Changed) {// 处理引脚 4 的变化事件pin4Changed = false;}
}

总结：

1.两种中断的核心区别

特性	外部中断（INT0/INT1）	引脚变化中断（PCINT）
可配置引脚	仅引脚 2（INT0）、3（INT1）	任意引脚（按组划分）
触发模式	支持 LOW/CHANGE/RISING/FALLING	仅支持 CHANGE（电平变化）
响应速度	更快（硬件直接处理）	稍慢（需软件判断具体引脚）
Arduino 库支持	直接通过 `attachInterrupt()`	需手动操作寄存器
适用场景	单个引脚的高速响应	多引脚监听（如键盘矩阵、传感器阵列）

2.为什么需要引脚变化中断？

当需要监控多个引脚的状态变化（如同时检测多个按钮），但又不想占用稀缺的外部中断引脚时，引脚变化中断非常有用。例如：

键盘矩阵的行 / 列引脚监控。
多个传感器的状态变化检测（如红外对管阵列）。

注意：由于引脚变化中断是按组触发的，每次中断触发时需在服务程序中遍历组内所有引脚，判断具体是哪个引脚发生了变化，这会增加软件开销。因此，外部中断更适合对实时性要求极高的单个引脚场景，而引脚变化中断适用于多引脚但实时性要求稍低的场景。

外部中断 attachInterrupt()

外部中断是外部干扰出现时发生的系统中断。干扰可能来自用户或网络中的其他硬件设备。

ATmega168 / 328上有两个外部中断引脚，称为INT0和INT1。 INT0和INT1分别映射到引脚2和3。

核心函数

`attachInterrupt()`

void attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(GPIO), ISR, mode);
void attachInterrupt(0, ISR, mode);//UNO 0 => GPIO2

参数:

ISR 对应函数

[!IMPORTANT]

ESP8266 在处理中断时，由于闪存读取的延迟问题，可能会让中断响应变得不稳定。为了保证中断能够及时响应，就需要把中断函数放到 RAM 里执行，此时就需要使用ICACHE_RAM_ATTR前缀。

普通 Arduino 板（如 Uno、Mega 等）普通的 Arduino 板（基于 AVR 架构）并不需要ICACHE_RAM_ATTR前缀。在这些平台上，中断函数的定义较为简单，像之前给出的代码示例，直接定义中断服务函数就行

//中断处理函数，ESP8266 这类特定芯片平台
ICACHE_RAM_ATTR void dataReadyISR() {if (LoadCell.update()) {newDataReady = 1;}
}//普通 Arduino 板
void dataReadyISR() {if (LoadCell.update()) {newDataReady = 1;}
}

中断服务程序的函数名，必须是 无参数、无返回值 的函数（如 void handleInterrupt()）。
通常ISR需要越短小精悍越好！另外如果您的代码中有多个ISR函数，那么每次Arduino只能运行一个ISR函数，其它ISR函数只有在当前的ISR函数执行结束以后，才能按照其优先级别顺序执行。
ISR函数中 delay()、millis()、Serial.print() 等依赖硬件定时器的函数无法正常运行。 delayMicroseconds() 不需要任何计数器就可以运行（delayMicroseconds() 会直接根据 CPU 的时钟周期来进行计数，通过执行一定数量的空指令来达到指定的延迟时间），运行是不会受到影响。
一般情况下，ISR函数与主程序之间传递数据是依靠全局变量来实现的。为了确保全局变量在ISR函数中可以正常的工作，应该将可能被ISR函数中使用的全局变量声明为volatile类型。

volatile – 易变变量

volatile这个关键字是变量修饰符，常用在变量类型的前面，该指令指示编译器从RAM而非存储寄存器（程序存储和操作变量的内存区域）中读取变量。ISR（中断服务程序）中所涉及的变量需要被声明为volatile易变变量。

mode触发方式

LOW：低电平触发。
CHANGE：电平变化（上升或下降沿）触发。
RISING：上升沿（从低到高）触发。
FALLING：下降沿（从高到低）触发。
HIGH：高电平触发（仅适用于 Arduino Due）。

[!IMPORTANT]

长时间运行（> 1ms）的中断任务将导致程序不稳定或崩溃。如果中断被长时间运行的中断阻塞，WiFi和核心的其他部分可能会变得不稳定。如果有很多事情要做，可以设置一个全局易变变量，主循环loop()中检查来进行变量的值，进而运行需要长时间工作的程序。

内存操作是危险的，应该在中断中避免。尽量减少对new或malloc的调用。因为如果内存被分割，可能需要很长的运行时间。出于同样的原因，realloc和free绝对不能被调用，也不能使用任何调用free或realloc本身的例程或对象。这意味着使用String、std:string 、std::vector和其他可调整大小的连续内存的类时必须非常小心(确保不改变字符串，不添加vector元素，等等)。