Прерывание по таймеру: точный тик через регистры

Часы на макетке я собрал за вечер, а выровнять не смог за неделю. Секунды тикали в loop(): if (millis() - byla >= 1000) — прибавить единицу, раз в минуту перенести в минуты. На голом столе часы шли идеально. В сборе — с опросом датчика, дисплеем и печатью строк — за сутки отстали минут на пять. Причина честная: тик срабатывал только тогда, когда loop() добирался до проверки, а loop был занят — то датчик, то экран, то строка в порт на тридцать миллисекунд. Каждая секунда растягивалась на случайный хвост, и хвосты суммировались.

Первая помощь — аккуратный millis-гейт из урока про millis вместо delay: прибавлять к byla ровно тысячу, а не переприсваивать millis(). Это убирает накопление, но не устраняет корень: момент тика всё ещё зависит от занятости loop(). Когда секунда обязана быть секундой — часы, шедулеры, генерация тона с ровным шагом — тик должен приходить сам, из железа. Самый короткий путь к такому тику — прерывание по таймеру.

В этом уроке настраиваем Timer2 в режим CTC через регистры: тысяча прерываний в секунду, свой счётчик миллисекунд, мигалка, которой безразлично, чем занят loop(). Ограничение назову сразу: движок симулятора ISR-макросы не исполняет, поэтому скетч с регистрами даю как код для платы, а механику CTC собираем в симуляторе из переменных — она при этом честная, один в один с железной логикой.

По умолчанию таймер живёт в Normal-режиме: считает от нуля до верха разрядности, перетекает и начинает заново. Для 8-битного Timer2 период — всегда 256 тактов, дробный период не собрать. Режим CTC — Clear Timer on Compare — меняет правило: верх задаёте вы, записью в регистр сравнения OCR2A. Счётчик тикает, и как только его значение догоняет OCR2A, аппаратура в один такт сбрасывает его в ноль и взводит флаг совпадения OCF2A; если прерывание разрешено, зовётся обработчик.

Период CTC — OCR2A плюс один такт: счёт идёт с нуля, и нулевое значение тоже считается. Настраиваю миллисекундный тик: кварц 16 МГц, предделитель 64 — 250 000 тиков в секунду; на период 1000 Гц нужно 250 тактов, значит OCR2A = 249. Ошибка на единицу тут не косметика — ниже посчитаем, во что превращается 250 вместо 249 за сутки. Предделитель и границу подбирают парой: чем больше граница, тем точнее можно попасть в период и тем реже дёргается процессор.

Почему Timer2, а не соседи: Timer0 занят millis() — его регистры я не трогаю вообще, Timer1 длиннее и отдан серво; Timer2 в ядре работает только на tone(), и пока зуммер молчит, он свободен. Классический выбор под свой тик — тем более что tone() и наш тик редко нужны одновременно.

Разбор по строкам. TCCR2A = (1 << WGM21) — бит формы волны: включаем CTC. TCCR2B = (1 << CS22) — биты тактирования: предделитель 64; забытый TCCR2B — таймер стоит, прерываний ноль, и это самая тихая ошибка из всех возможных. OCR2A = 249 — граница сравнения. TIMSK2 = (1 << OCIE2A) — разрешение прерывания по совпадению; без него флаг OCF2A исправно взводится, но никто его не читает.

ISR(TIMER2_COMPA_vect) зовётся сама тысяча раз в секунду, и от того, что в ней написано, зависит всё. Правила те же, что в уроке про внешние прерывания: только volatile-переменные, минимум тактов, никакого Serial и delay. Масштаб потерь: ISR на 50 тактов при тысяче вызовов в секунду съедает 50 000 тактов из 16 000 000 — меньше трёх десятых процента процессора. Тот же ISR с Serial.print — сотни тактов и миллисекунды блокировок на каждый тик: loop задыхается, а millis() на реальной плате внутри ISR ещё и застывает.

Рабочая схема такая: в ISR только tik = tik + 1, всё остальное делает loop() — сравнивает tik с прошлым значением, мигает, печатает, кормит часы. Разделение то же, к которому мы пришли в уроке про конечный автомат: автомат живёт в loop, железо считает время. И volatile не украшение, а условие жизни: без него компилятор имеет право закэшировать tik, и loop будет вечно смотреть на устаревшее значение.

Симулятор регистры не исполняет, поэтому модель собрана из переменных — и это честно: шаги модели повторяют шаги конфигурации один к одному. takty — модель тактов: один оборот loop() с delay(1) равен одному такту, а предделитель 8 пропускает восемь тактов из восьми, учитывая один. tcnt — модель счётчика TCNT2: растёт на каждый учтённый такт и на равенстве с SRVNIT — моделью OCR2A — сбрасывается в ноль, увеличивая tiki. В реальном скетче ровно это делает железо: сброс по совпадению и вызов ISR(TIMER2_COMPA_vect) без единой строчки вашего кода. Числа модели уменьшены против настоящих: в железе предделитель 64 и граница 249, здесь — 8 и 20, чтобы переполнения было видно глазом.

Светодиод переключается каждые десять тиков — секундная мигалка модели. Печать раз в сто миллисекунд выкладывает tcnt= и tiki=, и плоттер рисует главное: пилу счётчика от нуля до границы с обрывом на совпадении — ту же картину в живом графике, которую на плате показал бы осциллограф на выводе OC2A. Поменяйте SRVNIT с 20 на 10 — пила вдвое короче, тики вдвое чаще: период CTC равен границе плюс один такт, и вся настройка частоты сводится к одному числу.