Прерывания на GPIO

Введение: От Опроса к Событиям #

Одноплатные компьютеры, такие как Repka Pi, взаимодействуют с внешним миром — кнопками, датчиками, моторами — через массив физических контактов, известных как GPIO (General-Purpose Input/Output, контакты общего назначения). Основная задача при работе с вводом данных, например, при отслеживании нажатия кнопки, заключается в своевременном обнаружении этого события.

Метод опроса (Polling)

Наиболее очевидный метод обнаружения — это метод опроса (polling). При таком подходе центральный процессор вынужден постоянно выполнять цикл проверок, обращаясь к контакту с вопросом: «Изменилось ли твое состояние?». Представьте программу, которая в бесконечном цикле проверяет, нажата ли кнопка. Хотя этот метод функционален, он крайне неэффективен. Процессор тратит значительную часть своих вычислительных ресурсов на монотонные, повторяющиеся проверки, которые в 99.9% случаев дают отрицательный результат. Это похоже на непрерывное наблюдение за дверным звонком в ожидании гостя, вместо того чтобы заниматься полезными делами, пока он не зазвонит.

Событийная модель (Прерывания)

Прерывание (Interrupt) — это элегантное аппаратное решение этой проблемы. Вместо того чтобы постоянно спрашивать «Нажали ли кнопку?», мы даем процесору инструкцию: «Занимайся своими делами, а когда кнопку нажмут, я тебе сообщу». Этот сигнал и есть прерывание. Он позволяет системе мгновенно реагировать на внешние события, не тратя ресурсы на ожидание.

Аппаратная Архитектура #

Принцип работы GPIO-прерываний

Внутри SoC Allwinner, помимо базовых контроллеров GPIO, существует специальный блок — контроллер внешних прерываний (External Interrupt Controller, EINT). Его единственная задача — непрерывно следить за состоянием выбранных GPIO-пинов. Когда на одном из них происходит заданное нами событие (например, смена напряжения с высокого на низкое), этот контроллер немедленно посылает сигнал тревоги прямо в ядро процессора.

Процессор, получив такой сигнал, немедленно приостанавливает свою текущую работу, сохраняет свое состояние и переключается на выполнение специальной подпрограммы — обработчика прерывания (Interrupt Service Routine, ISR). После выполнения кода обработчика процессор возвращается к прерванной задаче, как ни в чем не бывало.

Настройка регистров на уровне "железа"

Для того чтобы прерывание сработало, внутри процессора Repka Pi должна быть настроена целая цепочка аппаратных регистров.

Этап 1: Переключение функции пина (Регистр Px_CFG) Пин должен перестать быть обычным входом/выходом. Ему нужно приказать работать в специальном режиме "Источник внешнего прерывания" (EINT). Для этого в его конфигурационные биты записывается особый код (например, 0b0110).

Этап 2: Настройка контроллера прерываний (EINT Controller Registers) Теперь нужно настроить сам контроллер, который получил сигнал от пина.

Регистр конфигурации триггера (EINT_CFGx): Указывает, на какое именно событие реагировать (Falling Edge, Rising Edge и т.д.).
Регистр фильтра дребезга (EINT_DEBOUNCE): Позволяет включить аппаратный фильтр для игнорирования ложных срабатываний от механических кнопок.
Регистр управления (EINT_CTL): "Главный рубильник", который активирует слежение за пином.
Регистр статуса (EINT_STATUS): "Сигнальная лампочка", которая показывает, на каком именно пине произошло событие.

Барьер безопасности: Защищенный режим процессора

Может показаться логичным просто взять и записать нужные значения в адреса этих регистров. Однако, как только на Repka Pi загружается операционная система Linux, она переводит центральный процессор в защищенный режим (protected mode).

Это фундаментальный механизм безопасности, который делит всю систему на два мира:

Пространство Ядра (Kernel Space): Привилегированный мир, где работает ядро ОС, имеющее полный доступ к аппаратуре.
Пространство Пользователя (User Space): Изолированный мир, где работают ваши программы. Любая попытка прямого обращения к памяти блокируется.

Вывод: Из-за этого барьера мы не можем напрямую из нашего кода управлять регистрами.

Программная реализация #

Решение: Как библиотеки обходят барьер

Библиотеки, такие как RepkaPi.GPIO или WiringRP, не нарушают правила. Они используют официальные каналы связи, которые ядро Linux предоставляет для безопасного общения с аппаратурой.

Когда вы вызываете функцию для отслеживания события, происходит следующий процесс:

Подача запроса: Библиотека обращается к файлам в /sys/class/gpio/, сообщая ядру, за каким пином и событием нужно следить.
Работа в пространстве Ядра: Ядро Linux, получив команду, само выполняет всю низкоуровневую настройку аппаратных регистров.
"Сон" и ожидание: Библиотека просит ядро "уснуть" до наступления события, используя системный вызов epoll.
Пробуждение и вызов: Когда происходит аппаратное прерывание, ядро "будит" вашу программу, и библиотека вызывает вашу функцию обратного вызова (callback).

Таким образом, библиотеки — это грамотные посредники, которые переводят ваши простые команды в серию безопасных запросов к ядру.

Практическая реализация

(пример кода на RepkaPi или WiringRP, который использует прерывания)

Теория: Фундамент событийно-ориентированной архитектуры #

Переход от модели опроса к прерываниям позволяет строить программы на основе событийно-ориентированной архитектуры (Event-Driven Architecture, EDA).

Вместо императивного подхода («проверь кнопку»), используется реактивный («жди сигнала от кнопки»). Эта архитектура состоит из трех ключевых компонентов:

1. Генератор событий (Event Producer)

Что это? Источник события в физическом мире.
Пример: Пользователь, нажимающий на кнопку.

2. Детектор и Диспетчер событий (Event Detector & Dispatcher)

Что это? Механизм, который обнаруживает событие и решает, кого уведомить.
Пример: Аппаратный Детектор (контроллер EINT в SoC) + Программный Диспетчер (ядро Linux).

3. Потребитель событий (Event Consumer / Handler)

Что это? Конечная точка, которая реагирует на событие.
Пример: Ваша функция обратного вызова (callback).

Преимущества такого подхода

Эффективность: Центральный процессор не тратит такты на бесполезные циклы проверки.
Отзывчивость: Реакция на событие происходит практически мгновенно.
Масштабируемость и модульность: Позволяет легко добавлять множество независимых обработчиков для разных событий.

Аппаратные прерывания — это не просто технический трюк, это физический фундамент, на котором строятся современные, эффективные и отзывчивые встраиваемые системы.