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中断与时钟

59 2025-08-24 09:45

下面把“中断”与“时钟”这两个概念放在一起做一个系统化梳理，并给出在 Arduino（以及更一般的 MCU）场景里它们是怎样配合、怎样配置、有哪些易踩的坑。你可以把它当成一份速查笔记。

中断的本质

定义：打断当前 CPU 指令流，强制跳到固定入口（向量表）执行一段 ISR，再返回。
触发源：
– 外部引脚（attachInterrupt、CHANGE/RISING/FALLING/LOW）
– 片上外设（ADC 完成、串口收到字节、定时器溢出、比较匹配、看门狗复位等）
– 异常事件（地址越界、除零、NMI）
关键寄存器：全局中断使能位（AVR 的 I 位、ARM 的 PRIMASK），以及每个外设自己的中断使能/标志位。

时钟在 MCU 中的角色

时钟 = 驱动所有逻辑的“心跳”。
– 源：内部 RC、外部晶振、PLL 倍频、内部 32 kHz RTC 时钟。
– 分配：CPU 时钟、外设总线时钟、定时器计数时钟、ADC 时钟……
时钟频率决定了：
– 指令执行速度（1 Hz = 1 条指令 / 秒，8 MHz ≈ 8 MIPS）。
– 定时器分辨率（16 位定时器在 8 MHz 下，1 tick = 0.125 µs）。
– 串口波特率、SPI/I²C 速率等。

“定时器中断”——把时钟变成中断

工作流程：
时钟 → 预分频器（1/8、1/64 …）→ 计数器 TCNTx → 溢出/比较匹配 → 置位中断标志 → CPU 若全局中断使能则跳转到 ISR。
典型用法：
– 产生周期任务（1 kHz PID 控制，每 1 ms 一次）。
– 软件 PWM、Tone、Servo、IR 发射。
– 时间戳/软件 RTC（millis()/micros() 在 AVR 上就是 T0 溢出中断）。

Arduino 常见时钟与中断 API 速查 | 需求 | AVR 芯片 | ESP32 | 备注 | |---|---|---|---| | 取毫秒时间戳 | millis() | 同 | 内部 Tick 计数器，32 位 49 天回绕 | | 取微秒时间戳 | micros() | 同 | AVR 每 4 µs 一计，ESP32 每 1 µs | | 周期中断 | Timer1/TimerOne 库 | hw_timer_t* + timerAttachInterrupt | ESP32 有 4 组 64 位通用定时器 | | 外部引脚中断 | attachInterrupt(pin, ISR, mode) | 同 | ESP32 所有 GPIO 都可 | | 精确延时 | delayMicroseconds() | 同 | 忙等，关中断会失真 |
中断延迟 & 抖动

进入延迟：CPU 完成当前指令 + 向量跳转，AVR 约 3–5 时钟周期；ESP32 带 cache/flash 抖动更大。
抖动源：更高优先级中断抢占、ISR 内关中断、flash 擦写（ESP32）。
对策：
– ISR 里只做“标记/写队列”，重活放 loop()。
– 关键代码用 cli()/sei() 或 portENTER_CRITICAL() 开关中断。
– ESP32 把 ISR 放 IRAM：void IRAM_ATTR onTimer(){...}。

时钟精度 & 温漂

内部 RC：±1 %–5 %，随温度/电压漂移。
外部晶振：±20 ppm（0.002 %），一年漂移约 10 分钟。
若需长期计时：
– 接 32.768 kHz 晶振 + RTC 模块（DS3231、PCF8523）。
– 或用 NTP/ GPS 定期校时。

一个最小可运行示例（AVR Timer1 1 kHz CTC）

cpp

复制

#include <TimerOne.h>

volatile bool tick = false;

void onTimer() {      // 中断上下文
  tick = true;        // 只做标记
}

void setup() {
  Timer1.initialize(1000);      // 1000 µs 周期
  Timer1.attachInterrupt(onTimer);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  if (tick) {
    tick = false;
    static uint32_t cnt = 0;
    Serial.println(cnt++);
  }
}

代码要点：
– volatile 保证编译器不优化掉跨上下文访问。
– loop() 里无阻塞操作，否则中断来了也来不及响应。

一句话总结
时钟 = 心跳源；中断 = 让 CPU 在特定“心跳点”或“外部事件”发生时停下手里活去干别的。
把时钟切成等长节拍，就能用“定时器中断”做出任何周期任务；把外部信号接到引脚，就能用“外部中断”立即响应。二者共同构成了 MCU 实时性的根基。

中断与轮询

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