פסיקה (או בשמה המוכר Interrupt) היא דרך ותיקה ומקובלת בעולם המעבדים לבצע, בעת הצורך, משימה מסוימת באופן מיידי, מבלי שנצטרך לבדוק כל הזמן במפורש אם התנאים הרלוונטיים מתקיימים או לא. עבור המעבד, הפסיקה היא קצת כמו הצלצול של הסלולרי, שמיידע אותנו על שיחה נכנסת בלי שנצטרך להסתכל על המסך כל שניה ולבדוק אם במקרה כתוב שמישהו מתקשר.

בפוסט זה ניצור Interrupt מהסוג הבסיסי ביותר, ונראה מה היתרונות שלו לעומת בדיקה חוזרת ונשנית בפונקציית ה-loop של הארדואינו. מוכנים?

כדי לבדוק את נושא הפסיקות, אנחנו נשווה בין שתי תוכניות שונות שמנסות לעשות את אותו הדבר: להריץ מונה ולדווח, דרך החיבור הטורי, את הערך אליו הגיע מדי שניה. מסיבות שיובנו מיד, התזמון המדויק של שניה אחת בכל פעם יגיע ממקור חיצוני – אני אשתמש, לצורך העניין, בלוח ארדואינו נוסף שקיבל את הקוד הבסיסי הבא:

void setup() {
   pinMode(13, OUTPUT);
   digitalWrite(13, LOW);
}

void loop() {
  delay(1000);
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(5); // So we can see the blink
  digitalWrite(13, LOW);
}

הדרך הפרימיטיבית

נעבור לתוכנית הראשונה, שבודקת בלולאה הראשית אם הגיע סיגנל. אנחנו צריכים משתנה שישמש לנו מונה, וחשוב שהוא יהיה מטיפוס שמסוגל להכיל ערכים גדולים, כי המספרים יצטברו במהירות. כמו כן, אנחנו צריכים לבדוק בכל "סיבוב" אם הגיע קלט שמעיד שחלפה שניה, ואם כן – לכתוב את הערך. ככה נראה קוד התוכנית:

unsigned long counter = 0;

void setup() {
   pinMode(2, INPUT);
   Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  counter++;
  // Check if a signal arrived
  if (digitalRead(2) == HIGH) {
    Serial.println(counter);
    counter = 0;
    // Now wait until the signal ends...
    while (digitalRead(2) == HIGH);
  }
}

זה עובד, ובניסויי ההרצה שערכתי מתקבל מדי שניה, במוניטור של החיבור הטורי, ערך של 128812 או 128813. עקביות מרשימה! פירוש הדבר שלמעט אותם מקרים נדירים בהם מופיע סיגנל, הלולאה הראשית של התוכנית הזו רצה מאה עשרים ושמונה אלף, שמונה-מאות ושתים-עשרה (או שלוש-עשרה) פעמים בשניה. כל ריצה כזו כוללת את הגדלת המונה, את פעולת הקריאה מחיבור מס' 2, ואת הבדיקה אם תוצאת הקריאה היא HIGH. לפני שנמשיך, סתם בשביל הכיף, בואו נראה מה קורה אם נוציא את הטיפול בסיגנל לפונקציה חיצונית:

void report() {
    Serial.println(counter);
    counter = 0;
    // Now wait until the signal ends...
    while (digitalRead(2) == HIGH);
}

void loop() {
  // ...
  if (digitalRead(2) == HIGH) report();
}

התוצאה? בדיוק אותו דבר…

הדרך החכמה

ועכשיו נדבר על פסיקות, כשאנו מתמקדים כאן אך ורק בסוג הפשוט ביותר – פסיקות חומרה. בלוחות הארדואינו הרגילים, Arduino Duemilanove/Uno, חיבורים דיגיטליים מס' 2 ו-3 יכולים לשמש לפסיקות חומרה, שמתעוררות "מעצמן" כשהמתח בחיבור עולה, יורד או משתנה. אנחנו יכולים להצמיד לכל אחד משני החיבורים פונקציה משלנו לטיפול בפסיקה שלו. הדבר מתבצע באמצעות פונקציה שנקראת attachInterrupt, אשר מקבלת שלושה פרמטרים: מספר הפסיקה (0 עבור חיבור מס' 2 או 1 עבור חיבור מס' 3, סתם כדי לבלבל אותנו כנראה), שם הפונקציה שכתבנו במטרה לטפל בפסיקה, וסוג הסיגנל שיעורר את הפסיקה. פרמטר סוג הסיגנל יכול לקבל אחד מארבעה ערכים שונים: LOW, CHANGE, RISING, FALLING. אין צורך להסביר מה הם אומרים, נכון?

בקוד האחרון שהצגתי כבר הופיעה פונקציה מתאימה להצמדה לפסיקה – הפונקציה report. אבל צריך לשים לב לדבר חשוב: כאשר פונקציה שמוצמדת לפסיקה משנה ערך של משתנה כלשהו, המשתנה הזה חייב להיות מוגדר בתוכנית כ-volatile, "נדיף", כזה שמאוחסן בזיכרון ה-RAM של הארדואינו. מסתבר שלפעמים משתנים מאוחסנים דווקא ברגיסטרים של המעבד עצמו, והגישה אליהם מתוך פונקציית פסיקה עלולה לחרבש את העניינים.

בקיצור, הנה הקוד החדש:

volatile unsigned long counter = 0;

void setup() {
   pinMode(2, INPUT);
   Serial.begin(9600);
   attachInterrupt(0, report, RISING);
}

void report() {
    Serial.println(counter);
    counter = 0;
}

void loop() {
  counter++;
}

למי שהתרגל לעבוד בדרך הישנה, הקוד הזה נראה משונה ביותר – אין שום פלט או גישה לפלט בלולאה הראשית! אבל הפונקציה report מוצמדת לפסיקת החומרה RISING בחיבור דיגיטלי מס' 2, ולכן בכל פעם שהמתח שם עולה, הארדואינו עוצר הכל ורץ לעשות מה שכתוב בה. שימו לב גם שלא היה צורך להמתין לירידת הסיגנל בחזרה, כי הפסיקה מטפלת בזה: היא מתעוררת רק כשהוא עובר ממצב נמוך לגבוה, לא כשהוא נשאר גבוה או חוזר בחזרה לנמוך.

ומה בתכל'ס? מה המספר שמדווח מדי שניה עם שימוש בפסיקות? מסיבות שאני לא לגמרי מבין עדיין, התוצאות קצת פחות סדירות – אך המספר הנפוץ ביותר, שהוא גם הנמוך ביותר שמופיע לי כבר דקות ארוכות, הוא 258768. כמעט בדיוק פי שניים!

מדובר, אם כן, בחיסכון עצום במשאבי עיבוד, שלא לדבר על הקוד המסודר והנוח הרבה יותר. עם זאת, פסיקות הן לא בהכרח השיטה המושלמת לבדיקה וטיפול במידע נכנס. העובדה שהן מפסיקות זמנית את הריצה של התוכנית ה"רגילה" גורמת לכל מיני שיבושים לא-צפויים בפונקציות שימושיות כמו delay או millis, ועלולה להפריע גם לקריאה של מידע מחיבור טורי. למרות זאת, מדובר בכלי עבודה בסיסי, פשוט, יעיל ורב עוצמה ביותר.