Acest laborator are ca scop familiarizarea voastră cu lucrul cu întreruperile hardware și cu timer-ele prezente în microcontroller-ul Atmega328p. Vom folosi timer-ele doar pentru a număra, nu și pentru a genera semnal PWM. Această funcționalitate va fi studiată și utilizată în laboratoarele următoare.

O întrerupere hardware reprezintă un semnal sincron sau asincron de la un periferic ce semnalizează apariția unui eveniment care trebuie tratat de către procesor. Tratarea întreruperii are ca efect suspendarea firului normal de execuție al unui program și lansarea în execuție a unei rutine de tratare a întreruperii (RTI).

Întreruperile hardware au fost introduse pentru a se elimina buclele pe care un procesor ar trebui să le facă în așteptarea unui eveniment de la un periferic. Folosind un sistem de întreruperi, perifericele pot comunica cu procesorul, acesta din urma fiind liber să-și ruleze programul normal în restul timpului și să își întrerupă execuția doar atunci când este necesar.

Înainte de a lansa în execuție o RTI, procesorul trebuie sa aibă la dispoziție un mecanism prin care să salveze starea în care se afla în momentul apariției întreruperii. Aceasta se face prin salvarea într-o memorie, de cele mai multe ori organizată sub forma unei stive, a registrului contor de program (Program Counter), a registrelor de stare precum și a tuturor variabilelor din program care sunt afectate de execuția RTI. La sfârșitul execuției RTI starea anterioară a registrelor este refăcută și programul principal este reluat din punctul de unde a fost întrerupt.

Pentru a asocia o întrerupere cu o anumită rutină din program, procesorul folosește tabela vectorilor de întrerupere (TVI), ilustrată în figura de mai jos. În această tabelă, fiecărei întreruperi îi este asociată adresa rutinei sale de tratare, la care programul va face salt în cazul apariției acesteia. Aceste adrese sunt predefinite și sunt mapate în memoria de program într-un spatiu contiguu care alcătuiește TVI. Adresele întreruperilor în TVI sunt setate în funcție de prioritatea lor: cu cât adresa este mai mică cu atât prioritatea este mai mare.

În general, pașii parcurși pentru a activa o întrerupere sunt următorii:

Mecanismul de întreruperi trebuie activat explicit (bitul I - Global Interrupt Enable din registrul SREG). Pentru a seta și reseta acest bit, există și două funcții ajutătoare:

// activează întreruperile
sei();
// dezactivează întreruperile
cli();

Reguli de programare în context întrerupere:

• Nu există o valoare de return. La închierea execuției handler-ului, procesorul execută din nou instrucțiuni de unde rămăsese înainte de declanșarea întreruperii
• Datorită faptului că handler-ul întârzie orice altă activitate din main și inhibă execuția altor întreruperi, se dorește ca timpul de execuție să fie cât mai mic.
• La folosirea unor variabile comune în mai multe handler-e de întrerupere și/sau main trebuie avut în vedere accesul concurent la acestea (în special la variabilele de 16/32 biți a căror modificare necesită mai mulți cicli de procesor).
• Variabilele comune trebuie marcate ca volatile pentru ca accesele la acestea să nu fie optimizate de către compilator

Alte wrapper-e (în jurul unor instrucțiuni ale core-ului AVR) oferite de interfață sunt:

• sei() - setează pe 1 bitul I din SREG, activând întreruperile globale. Apelează instrucțiunea assembler sei
• cli() - setează pe 0 bitul I din SREG, dezactivând întreruperile globale. Apelează instrucțiunea assembler cli
• reti() - întoarcerea dintr-o rutină de tratare a intreruperii, activează întreruperile globale. Ar trebui sa fie ultima instrucțiune apelată într-o rutină care folosește flag-ul ISR_NAKED.

Întreruperile se pot împărți în două categorii:

• întreruperile componentelor interne: timere, interfețe seriale (USART), convertor analog-digital
• întreruperile componentelor externe: activate de pinii externi ai uC-ului

În Laboratorul 2 ați studiat mecanismul de întreruperi de pe Atmega328p și ați configurat întreruperi în contextul timer-elor.

Pe lângă întreruperile componentelor interne uC-ului, există și câteva linii pentru întreruperi de la periferice externe: INT0-INT1 și PCINT0-PCINT2. Diferența dintre aceste două tipuri de întreruperi externe este dată de capabilitățile suportate și de granularitatea lor.

Semnalele pentru întreruperile INTn pot genera o întrerupere la tranziție (crescătoare, descrescătoare sau ambele) sau pe nivel 0, în funcție de configurarea întreruperii. Întreruperile PCINTn (Pin Change INTerrupt) se declanșează la ambele tranziții (mai exact, atunci când se face toggle la valoare) și câte 8 pini sunt multiplexați pe o singură întrerupere. Semnalele de întrerupere PCINT se pot activa individual, însă pentru a afla exact ce semnal a declanșat o anumită întrerupere trebuie verificat registrul PINn corespunzător. Dacă mai multe semnale se declanșează în același timp, ele nu vor putea fi deosebite.

În general, pașii parcurși pentru a activa o întrerupere externă INT sau PCINT sunt următorii:

În exemplu, pentru INT0 și INT1 (pinii PD2 și PD3), configurarea se face din registrul EICRA (External Interrupt Control Register A, secțiunea 12.2.1, pagina 54 din datasheet, în timp ce pentru întreruperi de tip pin change se folosește registrul PCICR.

// întreruperi externe
EICRA |= (1 << ISC00);    // set INT0 to trigger on ANY logic change
// întreruperi de tip pin change (activare vector de întreruperi)
PCICR |= (1 << PCIE2); // enable the pin change interrupt, set PCIE2 to enable PCMSK2 scan
// alte întreruperi

De exemplu, pentru întreruperile de tip INT0 și respectiv PCINT2, codul va arăta în felul următor:

ISR(INT0_vect)
{
  // cod întrerupere externă PD2 /INT0
  // verificare tranziție pe front crescător, descrescător sau oricare
  // (după cum este configurat INT0)
}
 
ISR(PCINT2_vect){
  // cod întrerupere de tip pin change
  if ((PIND & (1 << PD4)) == 0){
     // întreruperea a fost generată de pinul PD4 / PCINT20
     // verificăm nivelul logic al pinului
  }
  // întreruperea a fost generată de alt pin
}

În cazul de față, pentru activarea întreruperilor externe, se configurează registrul External Interrupt Mask Register (EIMSK) astfel:

• biții INT1:0 controlează dacă întreruperile externe (INT0-INT1) sunt activate

Pentru celelalte întreruperi, se configurează registrul corespunzător (e.g. PCMSK2 pentru activarea întreruperilor de tip pin change pe fiecare pin de pe portul D)

// întrerupere externă
EIMSK |= (1 << INT0);     // Turns on INT0
// întrerupere de tip pin change
PCMSK2 |= (1 << PCINT20); // Turns on PCINT20 (PD4)
// activare întreruperi globale
sei();

Afișajele LED cu 7 segmente sunt utilizate în multe aplicații ca indicatoare numerice pe panoul frontal. Cele mai comune aplicații sunt calculatoarele, ceasurile digitale, cuptoarele cu microunde, echipamentele electronice de laborator, cum ar fi generatoarele de funcții și contoarele de frecvență. De asemenea, este obișnuit să existe afișaje cu 7 segmente care au un punct ce poate fi activat după cifră.

Un afișaj LED cu 7 segmente este un aranjament de bare LED (a, b, c, d, e, f, g, dp) care pot fi alimentate individual pentru a afișa cifre (și unele caractere). Configurația poate fi fie anod comun, fie catod comun:

• Anod comun: anozii (pozitiv) tuturor LED-urilor sunt conectați electric la un pin și fiecare catod (negativ) al LED-urilor are propriul pin
• Catod comun: catozii (negativ) tuturor LED-urilor sunt conectați electric la un pin și fiecare anod (pozitiv) al LED-urilor are propriul pin

Următorul tabel de căutare poate fi util pentru programarea unui driver de afișare cu 7 segmente:

Alegerea parametrilor pentru timer pentru setările registrelor:

  OCR1A = 31249; //counter
  TCCR1B |= (1 << WGM12);   // CTC mode
  TCCR1B |= (1 << CS12);    // 256 prescaler 
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);  // enable timer compare interrupt

Dacă frecvența de bază a procesorului este de 16 MHz și prescalerul 256 atunci timerul are frecvența de 62500 Hz deci se va incrementa cu 1 la fiecare 1/62500 Hz = 16 μs. O întrerupere va fi generată când valoarea din timer va fi egală cu cea din registrul OCR1A (31249). 16μs×31250 = 0.5s

Task 1 (1p) Rulați exemplul din scheletul de laborator. Ce mod de funcționare folosește timer-ul? Dar prescaler-ul?

Task 2 (2p) Dorim să vizualizăm efectele prescaler-ului asupra frecvenței cu care se incrementează numărul din display-ul cu 7 segmente. Vom folosi butonul legat la PD3 pentru a cicla prin valorile posibile ale prescaler-ului.

Task 3 (3p) Realizați un cronometru de tip “countdown timer”. La finalul numărătorii, LED-ul va trebui să rămână aprins iar la apăsarea butonului se va reseta cronometrul la valoarea maximă. Valoarea maximă a cronometrului va fi de 10 secunde și se va afișa pe display valoarea corespunzătoare (9..0).

Bonus (1p): Aprindeți LED-ul pentru 200 ms la fiecare secundă cât timp cronometrul numără descrescător.

Task 4 (4p) Conectați un buzzer la pinul PD2. Folosind notele muzicale definite în repo-ul arduino-songs sau biblioteca Melody, implementați un cântec la alegere. Atunci când butonul va fi apăsat, notele vor fi ridicate cu o octavă (vor reveni la normal atunci când butonul nu mai este apăsat).

Bonus (1p) Pe măsură ce cronometrul se apropie de zero, viteza de redare va fi încetinită liniar astfel încât atunci când cronometrul ajunge la 0 viteza va fi 0.1 din valoarea normală.

• Datasheet Atmega 328p
• Arduino UNO pinout

• Responsabili: Stefan Dascalu, Alexandru Predescu

• AVR Libc - interrupt.h
• Setul de instrucțiuni AVR
• TimerOne
• tone()
• Interrupts