SAM4E单片机之旅——3、LED闪烁之定时器中断

让一个LED灯闪烁不过瘾，我们应该让这块开发板完成一点更高难度的任务：比如让两个LED灯闪烁。

……

当然了，以我们的现在使用的空循环技术，还是可以实现这点的。但是这样显得略为低端。所以我们使用一个高端点的技术：中断。还有就是会介绍一下在CMSIS里怎么使用中断。

一、电路

二、实现思路

第一个LED的闪烁还是用之前使用的空循环吧，别把世界弄得太复杂了。

第二个LED的闪烁就稍微自动化一点了：使用一个定时器，让它在到了需要切换引脚电平的时候通知我们一下。这样做的好处就是我们只需在定时器通知时关注第二个LED灯，而在其他的时候就可以忙别的事了。（比如让第一个LED闪烁。）

使用的中断源还是之前用到的RTT。RTT可以在计数器达到特定值时产生中断，这个特定的值（Alarm Value）可以通过访问RTT报警寄存器（RTT_AR）设定。然后在RTT的中断处理函数中切换LED引脚的电平，同时设定好下一次中断的条件就好了。

三、中断

在中断时，处理器会根据中断号在中断向量表查询中断服务函数（ISR）相关的信息。为此，我们需要知道RTT的中端号（3），还有中断向量表的位置，然后修改中断向量表。系统控制块（SCB）中有个“向量表偏移寄存器”（SCB_VTOR），在这个地址指向的区域里储存着一系列的向量，包括外部中断向量表。然后我们需要知道ISR相关信息在这个向量表的位置。接着修改中断向量表时需要知道它储存的只有ISR的地址，还是直接跳转至ISR的指令……（先别忙着动手）

四、main函数之前发生的事

实际上，入口点——即整个程序开始运行的入口，并不是main函数。这个入口是链接器指定的，默认情况下是_start函数。而在Atmel Studio生成的项目中，默认情况下链接器的参数有“--entry=Reset_Handler”的这么一项，意思就是指定程序入口为Reset_Handler。

这个函数的实现在以下文件中：

src\ASF\sam\utils\cmsis\sam4e\source\templates\gcc\startup_sam4e.c

这个是函数也是重置时的中断处理函数。在这个函数中，进行了一系列的初始化工作，其中包括中断向量表的配置。然后在初始化C库之后，就调用main函数了。最后在main函数返回后执行一个死循环。

五、定义中断处理函数

CMSIS已经为定义好了各种ISR的函数原型，同时做好了默认的函数实现。这些函数在以下文件中实现：

src\ASF\sam\utils\cmsis\sam4e\source\templates\exceptions.c

不过默认的函数实现是“弱定义”为Dummy_Handler的别名，这个函数的实现只是一个简单的死循环。弱定义意味着我们可以很方便地在链接时覆盖默认的实现。方法就是重新定义一个具有相同签名的函数。因为默认情况下是“强定义”的，所以就会覆盖掉默认的实现。

四、CMSIS默默完成的工作

其实CMSIS已经做好很多事了。

1. 在运行C语言编译后产生的代码时，需要堆栈来追踪函数调用情况，以及储存一些临时变量。我们编写的main函数得以成功运行的原因之一就是CMSIS已经帮我们准备好了堆栈。
2. 然后CMSIS完成的事就是配置向量表了。CMSIS已经为定义好了各种ISR的函数原型，同时做好了默认的函数实现。不过默认的函数实现是“弱定义”的，这意味着我们可以很方便地覆盖默认的实现。然后CMSIS就会根据这些信息配置向量表，而在编写自定义的中断处理函数只需根据原型做出实现即可。
3. 接着CMSIS会进行一系列系统初始化工作（调用SystemInit函数）。包括定义好读写Flash芯片时需要等待的时间，初始化震荡器、锁相环，设定系统主时钟等。
4. “最后”，就是执行main函数了。

六、准备工作

现在程序已经略为复杂了，需要做些准备工作。

宏定义：

/* LED 使用的GPIO引脚 */
#define LED0_GPIO PIO_PA0
#define LED1_GPIO PIO_PD20

/* LED 闪烁的周期 */
#define LED0_OFF_MS 500
#define LED0_ON_MS 1000
#define LED1_OFF_MS 500
#define LED1_ON_MS 200

辅助函数CalcRTTNeedInc。之前为了计算经过指定时间后RTT记数器增加的值，写了几行代码。因为有多个地方要用到这个计算，所以把它抽象出来了：

inline uint32_t CalcRTTNeedInc(unsigned int ms)
{
    /* 计数器加一的频率 */
    const uint32_t freq = CHIP_FREQ_SLCK_RC / PRESCALE;
    /* 计算延迟后，计数器需要增加的值
     *  need_inc = ms /1000 / (1/freq) */
    return (ms * freq / 1000);

}

六、RTT的中断处理

在理论上，本程序在RTT中断时切换第二个LED的引脚电平，并设置下一次中断的条件。

在文件sam4e16e.h中，已经定义好了RTT中断处理函数的原型了，只需实现即可。

需要注意的是，在中断处理函数中，需要通过读取一次RTT_SR以清除RTT的Alarm状态，否则该中断一直会被触发。

void RTT_Handler(void)
{
	/* 通过读取状态寄存器清除Alarm */
	uint32_t _ = RTT->RTT_SR;
	uint32_t begin_rttv = ReadRTT_CRTV();
	uint32_t int_gap_ms ;
	uint32_t need_inc;

	if ((PIOD->PIO_ODSR & LED1_GPIO) == 0)
	{
		/* 现在引脚电平为低，LED是亮的 */
		/* 灭灯 */
		PIOD->PIO_SODR = LED1_GPIO;
		/* 设置下次中断唤醒间隔的时间 */
		int_gap_ms = LED1_OFF_MS;
	}
	else
	{
		/* 现在引脚电平为高，LED是灭的 */
		/* 亮灯 */
		PIOD->PIO_CODR = LED1_GPIO;
		/* 设置下次中断唤醒间隔的时间 */
		int_gap_ms = LED1_ON_MS;
	}

	/* 计算并设置下一次中断的条件 */
	need_inc = CalcRTTNeedInc(int_gap_ms);
	RTT->RTT_AR = RTT_AR_ALMV(begin_rttv + need_inc - 1);

	return;
}

七、RTT初始化中断启用

如果需要启用中断，需要配置NVIC_ISERx寄存器，而且需要进行一定的计算。而CMSIS也做了相应的工作：

/* 启用中断 */
NVIC_ClearPendingIRQ(RTT_IRQn);
NVIC_EnableIRQ(RTT_IRQn);

对于RTT，配置时只需使能中断，同时设置第一次中断的条件即可。

/* 初始化 RTT */
RTT->RTT_MR = RTT_MR_RTPRES(PRESCALE)
				| RTT_MR_RTTRST
				| RTT_MR_ALMIEN
				;
/* 计算第一次中断的时间
 * 现在灯是亮的，第一次中断即在需要灯灭时
 */
RTT->RTT_AR = RTT_AR_ALMV(
	ReadRTT_CRTV() + CalcRTTNeedInc(LED1_ON_MS) -1);

八、禁用看门狗

程序在运行若干秒之后，可能会看到一些不和谐的状况，比如某个LED灯不按照我们的设想快速闪动一两下。这是因为看门狗默认是开启的，而我们却从来没有“喂狗”，从而导致系统重置。现在我只需禁用看门狗即可：

WDT->WDT_MR = WDT_MR_WDDIS;

PS，完整程序代码：

这一部分完整代码放在下面，以后大概不会再在这个基础上修改了吧。

#include <sam.h>
//#include <sam4e_ek.h>

/* LED 使用的GPIO引脚 */
#define LED0_GPIO PIO_PA0
#define LED1_GPIO PIO_PD20

/* LED 闪烁的周期 */
#define LED0_OFF_MS 500
#define LED0_ON_MS  200
#define LED1_OFF_MS 200
#define LED1_ON_MS  300

#define PRESCALE (1u<<10)

inline uint32_t ReadRTT_CRTV(void)
{
	//return (RTT->RTT_VR) & RTT_VR_CRTV_Msk;
	uint32_t v1;
	uint32_t v2;
	while(1)
	{
		v1 = (RTT->RTT_VR) & RTT_VR_CRTV_Msk;
		v2 = (RTT->RTT_VR) & RTT_VR_CRTV_Msk;
		/* 通过连续读取两次RTT_VR的值以增加准备性 */
		if (v1 == v2)
		{
			return v1;
		}
	}
}

inline uint32_t CalcRTTNeedInc(unsigned int ms)
{
    /* 计数器加一的频率 */
    const uint32_t freq = CHIP_FREQ_SLCK_RC / PRESCALE;
    /* 计算延迟后，计数器需要增加的值
     * need_inc = ms /1000 / (1/freq) */
    return (ms * freq / 1000);
}

void Delay(unsigned int ms)
{
    uint32_t begin_rttv = ReadRTT_CRTV();
	uint32_t need_inc = CalcRTTNeedInc(ms);
    uint32_t end_rttv = begin_rttv + need_inc;

    /* 等待*/
    while(ReadRTT_CRTV() < end_rttv)
        ;
}

/* RTT 中断处理函数
 * 在这里主要就进行LED1引脚电平的切换了
 */
void RTT_Handler(void)
{
	/* 通过读取状态寄存器清除Alarm */
	uint32_t _ = RTT->RTT_SR;
	uint32_t begin_rttv = ReadRTT_CRTV();
	uint32_t int_gap_ms ;
	uint32_t need_inc;

	if ((PIOD->PIO_ODSR & LED1_GPIO) == 0)
	{
		/* 现在引脚电平为低，LED是亮的 */
		/* 灭灯 */
		PIOD->PIO_SODR = LED1_GPIO;
		/* 设置下次中断唤醒间隔的时间 */
		int_gap_ms = LED1_OFF_MS;
	}
	else
	{
		/* 现在引脚电平为高，LED是灭的 */
		/* 亮灯 */
		PIOD->PIO_CODR = LED1_GPIO;
		/* 设置下次中断唤醒间隔的时间 */
		int_gap_ms = LED1_ON_MS;
	}

	/* 计算并设置下一次中断的条件 */
    need_inc = CalcRTTNeedInc(int_gap_ms);
	RTT->RTT_AR = RTT_AR_ALMV(begin_rttv + need_inc - 1);

	return;
}

int main(void)
{
	/* 关闭看门狗 */
	WDT->WDT_MR = WDT_MR_WDDIS;
	/* 初始化PIO */
	/* 让PIO控制器直接控制引脚 */
	PIOA->PIO_PER = LED0_GPIO;
	PIOD->PIO_PER = LED1_GPIO;
	/* 引脚输出使能 */
	PIOA->PIO_OER = LED0_GPIO;
	PIOD->PIO_OER = LED1_GPIO;
	/* 引脚输出写使能 */
	PIOA->PIO_OWER = LED0_GPIO;
	PIOD->PIO_OWER = LED1_GPIO;

	/* 初始化 RTT */
	/* 启用中断 */
	NVIC_ClearPendingIRQ(RTT_IRQn);
	NVIC_EnableIRQ(RTT_IRQn);
	RTT->RTT_MR = RTT_MR_RTPRES(PRESCALE)
					| RTT_MR_RTTRST
					| RTT_MR_ALMIEN
					;
	/* 计算第一次中断的时间
	 * 现在灯是亮的，第一次中断即在需要灯灭时
	 */
	RTT->RTT_AR = RTT_AR_ALMV(ReadRTT_CRTV() + CalcRTTNeedInc(LED1_ON_MS) -1);	

	while (1) {
		/* 设置PA0引脚为高电平，灯灭 */
		PIOA->PIO_SODR = LED0_GPIO;
		/* 延迟 */
		Delay(LED0_OFF_MS);

		/* 设置PA0引脚为高电平，灯亮 */
		PIOA->PIO_CODR = LED0_GPIO;
		Delay(LED0_ON_MS);
	}
	return 0;
}