【１５】割り込み処理あれこれ・・・
前回は割り込みの基本的な説明をしました。今回は割り込み処理をどう使うのか、もう少し具体的な内容に進めます。
ＰＩＣにはたくさんの割り込みが存在します。例えば、前回出て来たタイマー０がオーバーフローしたら割り込み開始とか、ＲＢ０のポートに信号が入ったとき割り込み開始とかありますが、他にも・・・。
・タイマー１がオーバフローしたら割り込み開始
・タイマー２がオーバフローしたら・・・
・ＲＢ４～ＲＢ７が変化したら・・・
・Ａ／Ｄ変換が終了したら・・・
・ＥＥＰＲＯＭへデータを書き込み終了したら・・・
・シリアル通信の送受信が完了したとき・・・
まだまだありますが、これはらはみんな割り込み開始のトリガー（きっかけ）を何にするかだけのことです。また、どの割り込みが発生したのかは、ＰＩＣの中に点在する割り込み要因フラグを調べるとわかります。問題は〝何をさせるか〟のほうだと思います。
割り込み処理の流れを客観的に眺めて見るとこんな感じです。
ＰＩＣは割り込みをトリガーすると、処理中のプログラムを中断してアドレス０００４番地へ飛ぶ。そして割り込み処理を終了させるときは〝 ｒｅｔｆｉｅ （リターン フロム インタラプト）〟という命令を使って元の処理へ戻させる。
割り込み処理の基本的な流れはこんな簡単なことです。
▽ 外部割り込み と タイマー割り込み の違い △
割り込みを大きく分けていくと、結局、外部割り込みとタイマー割り込みになります。どういうものかは前回説明していますが、このふたつ、どこが大きく異なるのかというと、それは反応速度です。
外部割り込みは入力端子にトリガーが掛けられたときに発生するものですから、ハードウエアと密接に関係してきます。反応速度は数百ｎＳ（ｎＳ＝１０億分の一秒）でも反応します。コレぐらいの速度になるとノイズと信号との識別がし難くなりますので、しっかりとしたハードウエアが必要になってきます。そうでないとノイズに反応してしまい、予期しない動きになります。
反応速度の限界値をカタログやインターネットで調べましたが見当たりませんでした。次回機会があれば実験してみます。いままでの経験では５００ｎＳでもじゅうぶん反応していましたが、ノイズとの兼ね合いで、私は１μＳほどを最速値としています。
対して、タイマー割り込みは周期的に割り込みをトリガーさせるのが目的です。そのため周期の最短は５０～１００μＳ以上にしなければ、割り込みが連続してしまい、肝心の処理が進まなくなります。そのような理由から私の場合はもっと遅く、１～２ｍＳほどにしています。
先ほどから〝ｍＳ〟とか〝μＳ〟や〝ｎＳ〟とか出てきますが、これらはミリセック、マイクロセック、ナノセックと読みます。昔はミリセカンドとかでしたが、最近はセックと読むそうです。１ｍＳは千分の一秒で、１μＳは百万分の一秒、１ｎＳは１０億分の一秒を表します。ＰＩＣなどの回路設計をするときやプログラム処理の速度を重視する場合などに頻繁に出てくる時間の単位ですので覚えておくと便利です。
これらの単位は一般生活の中では使われませんので、まったくピンとこないと思います。そこで非常にアバウトな実測値ですが、これらの単位がどれほどの時間のモノか実感してみてください（だいたいこれぐらいです）
○時計の１秒は１０００ｍＳです。
○途中で止まらないほどに傾けたレールに硬貨を転がしたとき、ある一点をフォトセンサーで検知した場合、角度にもよりますが３０ｍＳ～１００ｍＳ（０.０３秒～０.１秒）です。
○人間が押しボタンスイッチを最も速く押そうと意識してＯＮ、ＯＦＦさせたときのＯＮ時間が約２０～５０ｍＳで、さらに強く意識して指で弾くように叩くと、たまに１０ｍＳ以下の短いＯＮ期間が計測されます。
○垂直落下する硬貨をマイクロスイッチで検知した場合、約３０～５０ｍＳです。
○垂直落下する硬貨をフォトセンサーで検知した場合、約１０～２０ｍＳです。
○スイッチをＯＮにした時に発生するチャタリング（接点のバウンド現象）期間が、２～１０ｍＳです。
○スイッチをＯＮからＯＦＦにした時に発生するチャタリング（ＯＦＦ時にもチャタリングが出ます）期間が、５００μＳ～２ｍＳです。
人間が機械を使わず出せる速度なんてこんなものです。μＳやｎＳなどの時間枠はコンピュータの中だけのものです。ちなみにメモリアクセスの世界ではｐＳ（ピコセック＝１兆分の１秒）というのが出てきます。
１０ＭＨｚのクロックでＰＩＣを走らせると、ひとつの命令を処理するのに０.４μＳの時間が掛かります。人間が押しボタンやレバーをＯＮ、ＯＦＦしたときにＯＮを維持する時間は、先ほど例を出しましたが速くても５０ｍＳです。いいかえれば、５０ｍＳの期間、ＯＮ信号が続くといえます。それだけあればＰＩＣは、５００００μＳ÷０.４＝１２万５０００個の命令をこなしています。（５０ｍＳ＝５０,０００μＳ）
ゲーム機並みの感度でボタン検知をさせる場合でも１～２ｍＳでじゅうぶん対応できます。２ｍＳだと５０００個の命令をこなしています。いかにＰＩＣの速度がすごいかというのがわかります。ミッドレンジＰＩＣを最大速度の２０ＭＨｚのクロックで走らせると、さらにこの倍の命令をこなすことになります。
もちろん外部割り込みでボタン検知をしても何の問題はありませんが、タイマー割り込みは他にも利用価値があります。周期割り込みということは、プログラマーが意識しなくても周期的に処理をやってくれるということになります。これだけでメイン処理が非常に楽になります。メイン処理がいくら込み入った処理をしていようとも、時間が来れば割り込みが掛かり、処理が自動的に切り替わってくれるからです。
タイマー割り込みでよく行われる処理例を書くと・・・。
①ボタン／スイッチ類のダイナミック スキャン処理
②７セグメントＬＥＤ表示器のダイナミック 点灯処理
③多チャンネルに接続したＬＥＤの輝度コントロール
④多チャンネルに接続したフルカラーＬＥＤのコントロール
⑤メイン処理で使用するタイミング フラグの更新
タイマー割り込み処理がリアルタイムプログラムに最適な理由は、メイン処理とは別にこれらの処理が同時進行で可能になることです。
①ボタン／スイッチ類のダイナミックスキャンというのは、ボタンやスイッチを直接ポートに接続すると、ひとつのポートに８個までしか接続できません。そこでボタン類をグル－プに分け、グループ別にコモン信号を切り替えて、今現在どのボタンが押されているか検知する方法です。この方法だと、ひとつのグループに８個のボタンを接続して、４つのグループに分けると、ポートの消費は８と４で１２ポートですが、接続できるボタンの数は８×４で３２個にもなります。
回路は次のようになります。
ＲＢ０～ＲＢ３を出力ポートに設定したグループ切り換えポートとして、ＲＣ０～ＲＣ７を入力ポートにします。
まずＲＢ０を最初のグループとしてＬにします。そして他のグループＲＢ１～３をＨにして、ＲＣ０～ＲＣ７の入力状況を調べます。何も押されていないときは、プルアップ抵抗４.７ＫΩの働きで、ＲＣ０～ＲＣ７はすべてＨ（＝０ｘＦＦ）ですが、図のように、Ｓ８とＳ４を押すと、ＲＣ０とＲＣ４だけがＲＢ０に接続されますので、Ｌになります。結果、ＲＣ０～ＲＣ７は"ＨＨＨＬ_ＨＨＨＬ"＝０ｘＥＥに変化します。
もし別グループのボタンを押してしまったとしても、コモン出力は Ｈ なので何も変化がありません。それと各ボタンにダイオードが入っていますが、これはＨになっている他のグループの出力が押されたボタンを通して、Ｌになっているグループのポートへ流れ込むのを防いでいます。流れるとショートしてＰＩＣのポートを傷めることになります。
このグループの切り替えを１ｍＳ周期のタイマー割り込みで行い、その時のボタンの状況をグループに対応した４つのユーザーメモリのひとつに書き込みます。メイン処理はそのユーザーメモリを見てどのボタンが押されているかを判断して処理を進めるということになります。要するに割り込み処理がボタン状況を１ｍＳおきに読み取って、ユーザーメモリに更新しているわけですが、メイン処理から見たら単にメモリの中を覗けば、ボタンの状況が分かることになり非常に処理が楽になります。
１グループ８個、４グループで計３２個のボタンの情報が更新されるのに４ｍＳ掛かることになりますが、人間はそれ以上速くボタンを押すことができませんので、じゅうぶんな結果になります。
出力に対してもダイナミックスキャンと同じような回路を作ると少ないポートでたくさんの出力が出せるようになります。それが ②７セグメントＬＥＤのダイナミック点灯です。原理はダイナミックスキャンとまったく同じです。７セグメントＬＥＤのセグメント側の８本をポートに接続して、コモンをグループ別のポートに接続します。４ポートを利用すれば、１２ポートで４桁の７セグメントＬＥＤが接続できます。
７セグメント（以下７セグと書きます）表示器は小数点のＬＥＤ（Ｄｐ）を含めて８個のＬＥＤがひとつのパッケージに入っている部品ですので、結果的には３２個のＬＥＤをコントロールしていることになります。
上の回路ではＲＢ０～ＲＢ３を各桁のコモン出力として割り当て、ＲＣ０～ＲＣ７を出力ポートにして７セグの"ａ"～"Ｄｐ"の各セグメントに対応させています。例えば上の場合は、ＲＢ０をＬに他をＨにしていますので、左端のトランジスタのベースだけがＬになり、そのトランジスタがＯＮになって５Ｖが７セグのコモンへ流れ込んできます。セグメントデータを"ＨＨＨＨ_ＨＬＬＨ"としてＲＣ０～ＲＣ７に出力しています。これはセグメントの"ｂ"と"ｃ"だけをＬにしますので、そのラインだけに電流が流れてＬＥＤが点灯します。その結果、数字の"１"を表示することになります。
ボタンスキャンのときと同じように、割り込み処理でコモンを切り替えて、そのコモンに対応したユーザメモリを順に読み込んで、その内容をセグメントデータとして、ＲＣ０～ＲＣ７へ出力する処理を繰り返します。
メイン処理から見れば、表示したい数値を７セグメントＬＥＤ用のデータに変換して、各桁のユーザーメモリへ書き込んでおくだけで、あとは割り込み処理が順に点灯させてくれます。
ただ、ボタンのスキャン処理と違って、ダイナミック点灯はすこしシビアです。それは人間の眼の残像現象を利用して全部のＬＥＤに数値が表示されているように見せていますが、瞬間的には４個のうちどれかひとつだけしか点灯していません。なので点灯の切り替え速度が遅くなるとチラチラしてきます。逆に速くなると暗くなってきます。ひとつのＬＥＤが放つ光がしっかり人間の眼に焼きつく前に次の桁へ移動していまうからです。私の経験では、ひと桁２ｍＳで、８桁までが限界だと思います。この場合、ひと桁だけを見てみますと、１６ｍＳおきに２ｍＳの期間点灯することになります。これ以上遅くなるとチラつき出します。逆にひと桁を１ｍＳにして、８ｍＳで１周するようにすると、チラつきは完全に無くなりますが、すこし暗くなります。
また、コモンの切り換え時は一瞬でもすべてのＬＥＤが消えている時間を与えてやるほうがメリハリが付いて綺麗に点灯します。次のコモンにしてから現在のコモンを消灯させると、一瞬ですが、２個の７セグが点灯することになり、ゴーストが出て見にくくなります。またベースと電源を繋いでいる４.７ＫΩを大きくするとトランジスタがＯＦＦになるのに時間が掛かるようになり、やはりボケた感じになります。
次は ③多チャンネルに接続したＬＥＤの輝度コントロール です。
通常ＬＥＤは光るか消えるかの二通りでしか使用しませんが、暗く光らせたり、消えている状態から〝ふぁ～〟と点灯したり、アナログ的なコントロールをさせようというものです。
単純に１個のＬＥＤをアナログ的に光らせるのなら、ＰＩＣに内蔵されているＰＷＭ機能を使えば割り込みを使用しなくてもこと足ります。
しかし、メイン処理でたくさんの仕事をしながら、８個とか１６個のＬＥＤに対して行うとなるとたいへんなことになってきます。このようなときにタイマー割り込みを使ったＰＷＭを作れば可能になります。
割り込み処理内で行うＰＷＭですが、ＬＥＤの輝度コントロール程度でしたらそれほど難しくありません。まず、ＰＷＭの説明ですが・・・。
ＰＷＭは〝 Pulse Width Modulation 〟の略でパルスのＨとＬの幅を可変させて擬似的にアナログ出力する方式です。例えば、ある周期（＝ＰＥＲＩＯＤ）を決めておいて、Ｈの幅をその周期の５０％（半分）にして残りの５０％をＬにするという出力を繰り返し出した場合と、Ｈの幅を１００％、Ｌの幅を０％、ようするにＨにしたままで出力した場合では、前者のほうが平均電圧が半分になり、ＬＥＤなら暗く、モーターなら回転が遅くなる、という方法で擬似的にアナログのようにコントロールする方式です。
上の回路でＲＣ７をＬにするとＬＥＤ１が点灯しますが、ある周期（＝ＰＥＲＩＯＤ）で、点灯時間を短くすると暗く、長くすると明るくなります。
この回路では Ｌ にすると点灯するタイプのＰＷＭになります。
他の処理と平行してリアルタイムにコレを実現するには割り込み処理を利用するのが妥当です。
割り込み周期とＰＷＭの周期の関係ですが、最低輝度（消灯）から最大輝度までの段階数がＰＷＭの周期になります。そしてその段階を切り替える時間が割り込み周期になります。よって 段階×割り込み周期 が全体時間になり、あまり長いとダイナミック点灯のようにチラつきだします。これがモーターだと振動になります。
逆に速いほど輝度の段階数を多くできますが、頻繁に割り込みが掛かることになり、メイン処理の割り当て時間が減っていきますので、私は割り込み周期を１～２ｍＳ、輝度は１６段階ぐらいが適度だと思っています。あまり細かくしても輝度の差が人間には判断できないからです。ここでは輝度１６段階、割り込み周期 １ｍＳ にしてみました。
８個のＬＥＤをコントロールするとしたら、それに対応した輝度情報を保存するメモリーとして、８個の連続したユーザーメモリーを確保します。このような同じ目的のために順に並んだメモリーを〝ルックアップテーブル〟あるいは、略して〝テーブル〟などと呼びます。
割り込み処理内では、割り込みが発生するたびにこのテーブルを読み込んでそれに応じた出力をするようにします。こうすると、メイン処理はテーブル内のデータを変更するだけで済み、そのあたりのことを一切考えなくていいことになり非常に楽になります。
１６段階にした場合、８個の輝度テーブルは 0 から 0x0F までの数値を書き込むことになります。割り込み処理側では割り込みごとに０～１５を数えるカウンター（ＰＥＲＩＯＤ ＣＯＵＮＴＥＲ）を拵えます。そして割り込みごとに現在のカウンターの数値と輝度テーブルの内容を順に８個比較します。その結果、カウンターの数値よりテーブルの内容のほうが等しいか小さければテーブルに対応するＬＥＤをＯＦＦにします。テーブルの内容が大きい場合はＯＮにします。
単純に分解して考えてみますと、１６ｍＳという周期で８個のＬＥＤの点灯時間を、輝度テーブルに書き込まれたデータに沿って変化させているだけのことですが、人間の目では識別できる速度ではありませんので、擬似的なアナログ点灯が可能になります。
④多チャンネルに接続したフルカラーＬＥＤのコントロール も、この延長として考えられます。フルカラーＬＥＤは、赤・緑・青の三色のＬＥＤがひとつのパッケージに押し込まれているだけです。輝度コントロールのテーブルを三色分に拡張するだけです。例えばひとつのＬＥＤに対応した赤のテーブルの数値を 0x0F に、緑を 0x08 に、青を 0x00 と書き込めば、そのＬＥＤは黄色より少し暗いオレンジ色に光ります。
実際にＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ、クロック１０ＭＨｚで、２チャンネルのアナログ信号をＡ／Ｄ変換して、３２個のフルカラーＬＥＤを音楽に合わせて光らせるという実験を成功させています。
消えている状態から〝ふぁ～〟とアナログ的にゆっくりと明るくさせるには、メイン処理で任意の輝度テーブルの数値を５０ｍＳほどの周期で、0 から 0x0F まで順に変化させると ５０×１６＝８００ｍＳ（０.８秒）掛かって〝ふぁ～〟と点灯するはずです。
ここでいう５０ｍＳというのは変化していく速度です。長くすればゆっくりと変化し、短くすれば速く変化します。しかし極端に速くするとアナログ的な変化ではなくなりますのであまり意味がありません。さらにＰＷＭの周期は１６ｍＳですので、これ以下の速度で輝度テーブルを急速に変化させると割り込み処理が追いつかなくなって、おかしな光り方になる場合があります。そのようなときは、割り込み処理内で使用する PERIOD COUNTER をリセットする、あるいは輝度テーブルを変更するときは割り込みを停止させるなどの工夫が必要です。
ところで、メイン処理では他の処理も平行して走っています。これらに影響が出ないように５０ｍＳという時間を拵えるにはどうしたらいいのでしょうか。これには割り込み処理と同期を取って対処する方法があります。
⑤メイン処理で使用するタイミング フラグの更新 を利用すると簡単に割り込み処理と同期を取ることができます。これを利用するとメイン処理が非常に簡単になります。
本などで割り込み処理を説明するプログラムを見ると下記のような記序がよくあります。
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このプログラムはリセットから立ち上がると、初期化を通って割り込みの設定などを経て、割り込み開始にしたあとメイン処理は無限ループに入っています。
割り込み処理の説明ですので間違ってはいませんが、実際に何かを作るとき、メイン処理を何も行わない無限ループにすることはほとんどありません。
メイン処理の中でも何らかの処理が繰り返し行われているはずです。
私の場合、全体の処理はだいたいこんな感じに記序します。
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メイン処理の中にループを作ってたくさんの処理を並べて繰り返します。ただ、処理のどこかで無駄なループに入り処理が止まると、その瞬間、リアルタイムなプログラムではなくなってしまいますので、【１３】リアルタイムなプログラム １（ループ）で書きましたが、
その中の方法② 決められた時間が来るたびに、仕事を切り替える をここで利用ます。
短い時間で切り替えて仕事を割り振る方法をタイムシェアリングといいますが、この切り換えのトリガーとしてこの１ｍＳの割り込みを利用します。
切り換えのタイミングを知るために、ユーザメモリに FLG という名前のメモリを確保して、これを割り込み発生済みの同期フラグとして利用します。
割り込み処理内で割り込みが掛かるたびにこれをＨにセットします。Ｈ になれば 割り込みが発生したという状態がメイン処理に知らされるわけです。これで割り込み処理と同期が取れることになります。メインではコレを利用したということで Ｌ に戻します。すると次の割り込みで再び Ｈ になって返ってくるということになります。
割り込み処理ではこのフラグの内容をＨにするだけですので、単純に FLG に 0xFF を書き込んで８個分のフラグをいちどに更新してもよいわけです。これだけの簡単な処理で８個分の同期フラグができます。たったの２命令ですので、７セグのダイナミック点灯処理などの片隅に記序してもかまいません。
この同期フラグをどのように利用するかというと・・・。
上記のプログラムをもう一度ご覧ください。各処理は決められた時間が来るまでは何もせずに処理の流れをメインへ戻します。決められた時間が来たら、なるべく短時間で処理を次に進めてメインに戻すという流れを繰り返すような仕組みになっています。ＣＡＬＬ命令が並んで無駄のように見えますが、処理全体が、各処理へ入るか、メインへ戻るかの二通りの流れになり、見通しのよいプログラムになりますので私はこの方法を多用しています。
決められた時間が来たか判断する部分は至って簡単、たとえばメイン処理１の先頭の部分をご覧ください。
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サブルーチンの先頭でFLGというメモリのbit0がＨになるのを待って、Ｈになれば、それをＬに戻してからCNT1というメモリを－１しています。そしてCNT1が0になれば、0x64（１０進で１００）をCNT1に書き込んでから処理に入っています。それ以外はすべてメイン処理に戻って（return）います。
FLG の bit0 を Ｈ にしているのは割り込み処理内で FLG に 0xFF を書き込んだときだけです。割り込みは１ｍＳ周期ですので、メイン処理でＬにすればそれ以降、次の割り込みが発生するまではこの処理に進入することはありません。そして１ｍＳ後に割り込み処理で Ｈ に変更されます。
ということでメイン処理が割り込みを待っているあいだはほとんど何もされることもなく空でメインループを廻っていることになります。そして、フラグが Ｈ になったときだけサブルーチンに進入して来ますが、もうひとつの CNT1 というメモリの内容が０になるまでは再び何もしません。０になってやっとサブルーチンが動きます。このときに CNT1 を 100 という数値にしますので、１ｍＳが１００回＝１００ｍＳ周期でこのサブルーチンが動くことになります。
メイン処理２では CNT2 を使って、０を書き込んでいます。CNT2 はバイトサイズですので、０から１ずつ減算して２５６回目で再び ０ になります。処理２は２５６ｍＳ周期で処理が進むことになります。
５０ｍＳという時間が必要なら、CNT1 を 0x32 (１０進で５０）にすればよいだけです。
先ほどの輝度コントロールをメイン処理１（JOB1）で行ったとしたら・・・
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輝度を変更している部分は赤字の部分です。これで他の処理に影響なく５０ｍＳおきに TBL+1 の内容が 0x0F まで変化します。0x0Fを越えると最大輝度に達した処理に分岐しますので、もういちど 0x0F に戻しています。これは、再び５０ｍＳ後に "輝度を上げる" に入ってきたときに再び "最大輝度に達した" に飛ばして、0x0Fを維持させる対処方法です。実際は必要に応じてここに最大輝度になったあとの処理の初期化を記序します。
タイミングを取る同期フラグは８個まで使えますので、８つのサブルーチンのコントロールができることになります。各処理内で使用されている CNT1 や CNT2 に書き込む数値を変更するだけで、１～２５６ｍＳの周期でいろいろな処理が可能になります。さらに割り込みごとに FLG を Ｈ にするのではなく、２回に１回 Ｈ にするようにプログラムを変更すると、２ｍＳ周期で Ｈ になりますので、メイン処理のスピードを簡単に下げることができます。
１ｍＳという割り込み周期は人間を相手するのでしたらじゅうぶんな速度ですが、機械相手になると問題が発生します。そこで周期を速くすることになるのですが、割り込み周期をあまり速くすると別の問題が発生します。
例えば周期をぐんと上げて５０μＳにしたとします。５０μＳだと、５０÷０.４μＳ＝約１２５個の命令が割り込みと割り込みのあいだで処理できます。このとき忘れがちなのが、この数は割り込み処理の先頭（０００４番地）から〝 ｒｅｔｆｉｅ （リターン フロム インタラプト）〟まで、割り込み処理内の命令も含めているということです。
メイン処理がその個数内でも、割り込み処理が複雑でそれを越えているという場合もあります。そうなるとメイン処理がまったく進まなくなります。その理由は、割り込み処理から戻った時にもう次の割り込み周期がやって来ており、再び割り込み処理へ飛ばされます。この繰り返しになりますのでメイン処理が進まなくなります。
プログラム内で使用していた、処理進入コントロール用の CNT1, CNT2 というカウンターですが、通常はメイン処理の初期化部分で必要な初期値に予め設定しておくものですが、今回のようなＬＥＤ輝度コントロールの場合、初期値不定のままプログラムをスタートさせましても、最大で２５６ｍＳのズレが出ますが、それは最初の一度だけで、各処理内で固定値が上書きされて、２回目以降は正しい動作に戻りますので今回は省略しています。
また、カウンターの設定値をプログラム内で直接記序していますが、実際は擬似命令（equ など）を利用して、一括変換したほうが効率的です。
CNT1_INI equ 0x32
CNT2_INI equ 0x00
と、ソースファイルの先頭あたりにまとめて書いておき、プログラム内では･･･。
movlw CNT1_INI
movwf CNT1
などと記序します。
もし、プログラムの何ヶ所かで書き込んでいても、先頭の
CNT1_INI equ 0x32
だけを変更するだけで、すべての変更が自動的に行われます。
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次回は "ウォッチドッグタイマー" についてです。
2011.01.10
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