組み込みシステムで割り込みを使用する場合のグローバル変数の回避

グローバル変数を回避する組み込みシステムのために、ISRとプログラムの残りの部分との間の通信を実装する良い方法はありますか？

一般的なパターンは、ISRとプログラムの残りの部分との間で共有され、フラグとして使用されるグローバル変数を持つことですが、このグローバル変数の使用は、粒度に反しています。avr-libcスタイルのISRを使用した簡単な例を含めました。

volatile uint8_t flag;

int main() {
    ...

    if (flag == 1) {
        ...
    }
    ...
}

ISR(...) {
    ...
    flag = 1;
    ...
}

基本的にスコーピングの問題が何であるかを見逃すことはできません。ISRと残りのプログラムの両方がアクセスできる変数は、必ず本質的にグローバルでなければなりませんか？それにもかかわらず、「グローバル変数はISRとプログラムの残りの部分との間の通信を実装する1つの方法」（強調は私のもの）という言葉に沿って人々が言うことをよく目にします。他の方法がある場合、それらは何ですか？

これを行うための事実上の標準的な方法があります（Cプログラミングを想定）。

• 割り込み/ ISRは低レベルであるため、割り込みを生成するハードウェアに関連するドライバー内にのみ実装する必要があります。それらは他の場所ではなく、そのドライバー内に配置する必要があります。
• ISRとのすべての通信は、ドライバーとドライバーのみによって行われます。プログラムの他の部分がその情報にアクセスする必要がある場合は、セッター/ゲッター関数などを介してドライバーに要求する必要があります。
• 「グローバル」変数は宣言しないでください。外部リンケージを持つグローバルな意味のファイルスコープ変数。つまり、externキーワードまたは単純に誤って呼び出される可能性のある変数です。
• 代わりに、ドライバー内でプライベートカプセル化を強制するために、ドライバーとISRの間で共有されるそのようなすべての変数が宣言されstaticます。このような変数はグローバルではありませんが、宣言されたファイルに制限されています。
• コンパイラの最適化の問題を防ぐには、そのような変数をとしても宣言する必要がありますvolatile。注：これはアトミックアクセスを提供したり、再入可能性を解決したりするものではありません！
• ISRが変数に書き込む場合に備えて、ドライバーでは何らかの方法で再入可能メカニズムが必要になることがよくあります。例：割り込み無効化、グローバル割り込みマスク、セマフォ/ミューテックス、または保証されたアトミック読み取り。

このグローバル変数の使用は、私には不利です

これが本当の問題です。それを乗り越えなさい。

ひざまずいている人がこれがいかに汚れているかについてすぐに怒鳴る前に、少しそれを認めさせてください。グローバル変数を使いすぎると、確かに危険があります。しかし、これらは効率を向上させることもできます。これは、リソースが限られた小さなシステムでは重要な場合があります。

重要なのは、それらを合理的に使用でき、問題が発生する可能性が低い場合と、発生するのを待っているバグとを比較することです。常にトレードオフがあります。一方で、一般的に、割り込みと前景のコードの間で通信するためのグローバル変数を回避することundertandable指針である、それを取っては、他のほとんどのガイドラインと同様に、宗教の極端に逆効果です。

グローバル変数を使用して、割り込みコードとフォアグラウンドコードの間で情報を受け渡す例は次のとおりです。

1. システムクロック割り込みによって管理されるクロックティックカウンター。通常、1 msごとに実行される定期的なクロック割り込みがあります。これは、システムのさまざまなタイミングで役立ちます。この情報を割り込みルーチンから取得して、システムの残りの部分で使用できるようにする1つの方法は、グローバルクロックティックカウンターを保持することです。割り込みルーチンは、クロック刻みごとにカウンターをインクリメントします。フォアグラウンドコードはいつでもカウンターを読み取ることができます。多くの場合、これは10ミリ秒、100ミリ秒、さらには1秒の目盛りで行われます。

   1ミリ秒、10ミリ秒、100ミリ秒のティックが、単一のアトミック操作で読み取ることができるワードサイズであることを確認します。高水準言語を使用している場合は、これらの変数が非同期で変更される可能性があることをコンパイラーに伝えてください。たとえば、Cでは、それらをextern volatileとして宣言します。もちろん、これは組み込みのインクルードファイルに含まれるものなので、すべてのプロジェクトで覚えておく必要はありません。

   1ティックカウンターを合計経過時間カウンターにする場合があるので、32ビット幅にします。これは、私が使用している多くの小さなmicroの単一のアトミック操作では読み取ることができないため、グローバル化されていません。代わりに、マルチワード値を読み取り、読み取り間の可能な更新を処理し、結果を返すルーチンが提供されます。

   もちろんあります 、小さい1ミリ秒、10ミリ秒などのティックカウンターを取得するルーチン得ます。ただし、これは実際にはほとんど機能せず、1つの単語を読み取る代わりに多くの命令を追加し、別の呼び出しスタックの場所を使い果たします。

   欠点は何ですか？誰かが誤ってカウンターの1つに書き込むタイプミスをすると、それがシステムの他のタイミングを台無しにする可能性があります。意図的にカウンターに書き込んでも意味がないので、この種のバグはタイプミスのような意図しないものである必要があります。非常にありそうにないようです。100以上の小さなマイクロコントローラープロジェクトで起こったことを思い出しません。

2. 最終的にフィルタリングおよび調整されたA / D値。一般的なことは、A / Dからの読み取りを割り込みルーチンで処理することです。私は通常、必要以上に速くアナログ値を読み取ってから、少しローパスフィルタリングを適用します。多くの場合、適用されるスケーリングとオフセットもあります。

   たとえば、A / Dが24 V電源を測定するために、分圧器の0〜3 V出力を読み取っている場合があります。多くの読み取り値は、フィルタリングによって実行され、最終的な値がミリボルト単位になるようにスケーリングされます。電源が24.015 Vの場合、最終値は24015です。

   システムの残りの部分には、供給電圧を示す最新の更新値が表示されます。特にローパスフィルターのセトリングタイムよりもはるかに頻繁に更新されるため、それが正確に更新されるタイミングはわかりませんし、気にする必要もありません。

   この場合も、インターフェースルーチンを使用できますが、そのメリットはほとんどありません。電源電圧が必要なときにグローバル変数を使用するだけの方がはるかに簡単です。単純化はマシンだけでなく、人為的エラーの可能性が少ないことも意味することを忘れないでください。

特定の割り込みはグローバルリソースになります。ただし、複数の割り込みで同じコードを共有すると便利な場合があります。たとえば、システムに複数のUARTがあり、それらのすべてが同様の送信/受信ロジックを使用する必要があります。

これを処理するための優れたアプローチは、割り込みハンドラーによって使用されるものまたはそれらへのポインターを構造オブジェクトに配置し、実際のハードウェア割り込みハンドラーを次のようにすることです。

void UART1_handler(void) { uart_handler(&uart1_info); }
void UART2_handler(void) { uart_handler(&uart2_info); }
void UART3_handler(void) { uart_handler(&uart3_info); }

オブジェクトuart1_info、uart2_infoなどはグローバル変数ですが、割り込みハンドラーが使用する唯一のグローバル変数です。ハンドラーが触れる他のすべてはそれらの中で処理されます。

割り込みハンドラとメインラインコードの両方からアクセスされるものはすべて修飾する必要があることに注意してくださいvolatile。volatile割り込みハンドラーで使用されるすべてのものとして宣言するのが最も簡単な場合がありますが、パフォーマンスが重要な場合は、情報を一時的な値にコピーし、それらを操作してから、それらを書き戻すコードを記述できます。たとえば、書く代わりに：

if (foo->timer)
  foo->timer--;

書く：

uint32_t was_timer;
was_timer = foo->timer;
if (was_timer)
{
  was_timer--;
  foo->timer = was_timer;
}

前者の方法は読みやすく理解しやすいかもしれませんが、後者よりも効率が悪くなります。それが問題になるかどうかは、アプリケーションによって異なります。

ここに3つのアイデアがあります：

スコープを単一のファイルに制限するには、フラグ変数を静的として宣言します。

フラグ変数をプライベートにし、ゲッター関数とセッター関数を使用してフラグ値にアクセスします。

フラグ変数の代わりに、セマフォなどのシグナリングオブジェクトを使用します。ISRはセマフォを設定/通知します。

割り込み（つまり、ハンドラーを指すベクター）はグローバルリソースです。したがって、スタックまたはヒープで変数を使用した場合でも、

volatile bool *flag;  // must be initialized before the interrupt is enabled

ISR(...) {
    *flag = true;
}

または「仮想」関数を備えたオブジェクト指向コード：

HandlerObject *obj;

ISR(...) {
    obj->handler_function(obj);
}

…最初のステップでは、他のデータに到達するために実際のグローバル（または少なくとも静的）変数を使用する必要があります。

これらのメカニズムはすべて間接参照を追加するため、割り込みハンドラーから最後のサイクルをスクイーズしたい場合、通常これは行われません。

私は現在Cortex M0 / M4をコーディングしています。C++で使用しているアプローチは次のとおりです（C ++タグがないため、この答えはトピックとは異なる場合があります）は次のとおりです。

CInterruptVectorTableコントローラーの実際の割り込みベクトルに格納されているすべての割り込みサービスルーチンを含むクラスを使用します。

#pragma location = ".intvec"
extern "C" const intvec_elem __vector_table[] =
{
  { .__ptr = __sfe( "CSTACK" ) },           // 0x00
  __iar_program_start,                      // 0x04

  CInterruptVectorTable::IsrNMI,            // 0x08
  CInterruptVectorTable::IsrHardFault,      // 0x0C
  //[...]
}

クラスCInterruptVectorTableは割り込みベクトルの抽象化を実装しているため、ランタイム中にさまざまな関数を割り込みベクトルにバインドできます。

そのクラスのインターフェースは次のようになります。

class CInterruptVectorTable  {
public :
    typedef void (*IsrCallbackfunction_t)(void);                      

    enum InterruptId_t {
        INTERRUPT_ID_NMI,
        INTERRUPT_ID_HARDFAULT,
        //[...]
    };

    typedef struct InterruptVectorTable_t {
        IsrCallbackfunction_t IsrNMI;
        IsrCallbackfunction_t IsrHardFault;
        //[...]
    } InterruptVectorTable_t;

    typedef InterruptVectorTable_t* PinterruptVectorTable_t;


public :
    CInterruptVectorTable(void);
    void SetIsrCallbackfunction(const InterruptId_t& interruptID, const IsrCallbackfunction_t& isrCallbackFunction);

private :

    static void IsrStandard(void);

public :
    static void IsrNMI(void);
    static void IsrHardFault(void);
    //[...]

private :

    volatile InterruptVectorTable_t virtualVectorTable;
    static volatile CInterruptVectorTable* pThis;
};

ベクトルテーブルはオブジェクトではないstaticため、コントローラーはthisポインターを提供できないため、ベクトルテーブルに格納される関数を作成する必要があります。そのため、その問題を回避するために、pThis内部に静的ポインタがありCInterruptVectorTableます。静的割り込み関数の1つに入ると、pThis-pointerにアクセスして、の1つのオブジェクトのメンバーにアクセスできますCInterruptVectorTable。

プログラムでは、を使用しSetIsrCallbackfunctionてstatic、割り込みが発生したときに呼び出される関数への関数ポインターを提供できます。ポインタはに保存されますInterruptVectorTable_t virtualVectorTable。

そして、割り込み関数の実装は次のようになります：

void CInterruptVectorTable::IsrNMI(void) {
    pThis->virtualVectorTable.IsrNMI(); 
}

そのため、それはstatic別のクラス（の場合もありますprivate）のメソッドを呼び出し、static thisそのオブジェクトのメンバー変数（1つだけ）にアクセスするための別の-pointerを含めることができます。

IInterruptHandlerオブジェクトへのポインタのように構築してインターフェイスし、ポインタを格納できるのでstatic this、これらすべてのクラスで-pointer は必要ありません。（たぶん、私たちはアーキテクチャの次の反復でそれを試すでしょう）

割り込みハンドラーの実装が許可されているオブジェクトはハードウェアアブストラクションレイヤー内のオブジェクトのみであり、通常、ハードウェアブロックごとに1つのオブジェクトしかないため、static this-pointersでうまく機能するため、他のアプローチはうまく機能します。また、ハードウェアアブストラクションレイヤーは、割り込みにさらに別のアブストラクションを提供します。ICallbackこれは、ハードウェアの上のデバイスレイヤーに実装されます。

グローバルデータにアクセスしますか？確かにそうですが、- thisポインタや割り込み関数のように、必要なグローバルデータのほとんどをプライベートにすることができます。

防弾ではなく、オーバーヘッドが追加されます。このアプローチを使用してIO-Linkスタックを実装するのは難しいでしょう。しかし、タイミングが極端に厳しくない場合、これは非常にうまく機能し、どこからでもアクセスできるグローバル変数を使用せずに、モジュールの割り込みと通信の柔軟な抽象化を取得できます。