ইন্টারাপ্ট-ড্রিভেন GPIO ও ISR ডিজাইন

১ · পোলিং বনাম ইন্টারাপ্ট

Computer Architecture কোর্সে সাধারণ ইন্টারাপ্ট হ্যান্ডলিং মেকানিজম কভার হয়েছে; এই পাঠ সেই ভিত্তির ওপর দাঁড়িয়ে GPIO-স্পেসিফিক প্রয়োগ দেখায়। L14-L16 পর্যন্ত আমাদের কোড read() কল করে সরাসরি পিনের অবস্থা পড়েছে — এটিই পোলিংPollingসফটওয়্যার বারবার, পর্যায়ক্রমে একটি পিন/ফ্ল্যাগের অবস্থা চেক করে — হার্ডওয়্যার নিজে থেকে কিছু জানায় না।। মূল লুপ অন্য কাজে ব্যস্ত থাকলে পিন কখন চেক হবে তা নির্ভর করে লুপ কতবার সেই চেক-পয়েন্টে ফিরে আসছে তার ওপর — দুই চেকের মাঝামাঝি ঘটা একটি পরিবর্তন পরবর্তী চেক না আসা পর্যন্ত ধরা পড়ে না।

ইন্টারাপ্ট-ড্রিভেন GPIOInterrupt-driven GPIOহার্ডওয়্যার নিজেই পিন পরিবর্তনের মুহূর্তে CPU-কে "থামিয়ে" একটি নির্ধারিত ISR ফাংশন চালানো শুরু করায় — সফটওয়্যারকে বারবার জিজ্ঞেস করতে হয় না।-তে হার্ডওয়্যার নিজেই একটি পিন-পরিবর্তন শনাক্ত করার সাথে সাথে CPU-কে যা করছিল তা সাময়িকভাবে থামিয়ে একটি নির্ধারিত ISR ফাংশন চালানো শুরু করে দেয় — সফটওয়্যারকে বারবার জিজ্ঞেস করার প্রয়োজন হয় না। এতে দুটো সুবিধা: (১) CPU অন্য কাজে ব্যস্ত থাকতে পারে যতক্ষণ না সত্যিই কিছু ঘটে, (২) পরিবর্তন প্রায় তাৎক্ষণিকভাবে ধরা পড়ে।

২ · সিমুলেশন — লেটেন্সি সরাসরি গণনা

নিচের কোডে একটি পিন-পরিবর্তন একটি এলোমেলো (কিন্তু ফিক্সড সিডের কারণে রিপ্রোডিউসিবল) টিকে ঘটে। পোলিং লুপ শুধু প্রতি POLL_INTERVAL টিকে একবার চেক করে (কারণ বাস্তবে CPU অন্য কাজেও ব্যস্ত থাকে), আর ইন্টারাপ্ট একটি ছোট, ফিক্সড হার্ডওয়্যার-এন্ট্রি ওভারহেড (কনটেক্সট সেভ করা ইত্যাদির জন্য) বাদে প্রায় তাৎক্ষণিকভাবে সাড়া দেয়।

import random

TOTAL_TICKS = 50
POLL_INTERVAL = 6      # মূল লুপ অন্য কাজে ব্যস্ত থাকে, প্রতি ৬ টিকে একবার পিন চেক করে
ISR_ENTRY_LATENCY = 1  # ফিক্সড হার্ডওয়্যার ওভারহেড (কনটেক্সট সেভ ইত্যাদি) ISR শুরু হওয়ার আগে

rng = random.Random(7)
change_tick = rng.randint(5, TOTAL_TICKS - 5)   # পিনটি ঠিক কোন টিকে বদলাবে -- ফিক্সড সিড, রিপ্রোডিউসিবল

# --- পোলিং সিমুলেশন: পিন শুধু নির্দিষ্ট পোল-টিকগুলোতেই চেক হয় ---
poll_ticks = [t for t in range(0, TOTAL_TICKS + 1) if t % POLL_INTERVAL == 0]
detected_tick_polling = next(t for t in poll_ticks if t >= change_tick)
polling_latency = detected_tick_polling - change_tick

# --- ইন্টারাপ্ট সিমুলেশন: হার্ডওয়্যার একই টিকে ISR কল করে, শুধু ফিক্সড এন্ট্রি ওভারহেডসহ ---
detected_tick_interrupt = change_tick + ISR_ENTRY_LATENCY
interrupt_latency = detected_tick_interrupt - change_tick

print(f"পিনের অবস্থা সত্যিই বদলালো টিক: {change_tick}")
print(f"পোলিং চেক-পয়েন্টগুলো: {poll_ticks}")
print(f"পোলিং শনাক্ত করলো টিক {detected_tick_polling}-এ -> লেটেন্সি = {polling_latency} টিক")
print(f"ইন্টারাপ্ট শনাক্ত করলো টিক {detected_tick_interrupt}-এ -> লেটেন্সি = {interrupt_latency} টিক")
print(f"পোলিং ইন্টারাপ্টের চেয়ে {polling_latency - interrupt_latency} টিক ধীর")

৩ · ISR ডিজাইনের মূল নিয়ম

একটি ISR চলাকালীন সময় সাধারণত অন্যান্য (কম-প্রায়োরিটি) ইন্টারাপ্ট ব্লক থাকে এবং CPU তার স্বাভাবিক কাজ করতে পারে না — তাই একটি মৌলিক নিয়ম: ISR-কে যতটা সম্ভব সংক্ষিপ্ত রাখা। ভারী কাজ (যেমন একটি বড় হিসাব, একটি সেন্সর থেকে ধীর গতির ডেটা পড়া, বা নেটওয়ার্কে কিছু পাঠানো) সরাসরি ISR-এর ভেতরে করা উচিত নয় — বরং ISR শুধু একটি ফ্ল্যাগ সেট করে বা একটি কিউ-তে একটি ইভেন্ট যোগ করে সাথে সাথে ফিরে আসবে, আর মূল লুপ (বা একটি নিম্ন-প্রায়োরিটি টাস্ক) সেই ফ্ল্যাগ/কিউ দেখে আসল কাজটা পরে করবে।

নিচে একটি ইলাস্ট্রেটিভ (এই স্যান্ডবক্সে রান হয় না — বাস্তব এমবেডেড C-তে এমন দেখতে হয়) bad-বনাম-good ISR স্কেচ দেওয়া হলো:

/* খারাপ ISR -- ভেতরেই ভারী কাজ করছে */
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    uint16_t raw = read_sensor_over_i2c();   /* ধীর, ব্লকিং I/O -- ISR অনেকক্ষণ আটকে থাকবে */
    float value = complex_filter(raw);       /* ভারী গণনা -- ISR-এর ভেতরে করা উচিত নয় */
    log_to_flash(value);                     /* ধীর রাইট অপারেশন -- আরও খারাপ */
    clear_interrupt_flag();
}

/* ভালো ISR -- শুধু একটি ফ্ল্যাগ/ইভেন্ট সেট করে সাথে সাথে ফিরে আসে */
volatile bool pin_change_pending = false;

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    pin_change_pending = true;   /* ভারী কাজ মূল লুপে স্থগিত */
    clear_interrupt_flag();
}

/* মূল লুপ -- আসল, ভারী কাজ এখানে করা হয় */
while (1) {
    if (pin_change_pending) {
        pin_change_pending = false;
        uint16_t raw = read_sensor_over_i2c();
        float value = complex_filter(raw);
        log_to_flash(value);
    }
    /* অন্যান্য কাজ */
}