Аппаратный счётчик T1: импульсы без прерываний

Расходомер воды выдаёт 450 импульсов на литр — при потоке 10 л/мин это 75 импульсов в секунду, и обычный attachInterrupt справляется на ура, так я считал в частотомере с окном оборотов. Но соседний проект — счётчик мотков на перемоточном станке — выдаёт до 12 000 импульсов в секунду с оптического датчика, а в loop() у меня ещё крутится протокол и подсветка. Каждое прерывание рвёт основной цикл на куски: вход в обработчик, выход, сохранение регистров — чем плотнее поток, тем больше процессор живёт в чужом коде, а не в своём.

У таймера 1 в ATmega328P есть дверь, о которой вводные курсы молчат: вывод T1 (он же D5) можно назначить тактовым входом самого счётчика. Три бита CS10..CS12 в TCCR1B, выставленные в 111, переключают Timer1 с кварца на внешний пин: каждый фронт на D5 сам прибавляет единицу к регистру TCNT1 — без единого прерывания и без строчки кода в обработчике. Аппаратура считает сама, процессор занимается своими делами, а я раз в секунду забираю готовое число.

План урока: биты CS10..CS12 и чем внешний такт отличается от внутреннего, жизнь счётчика от нуля до 65535 и переполнение, как правильно читать 16-битный TCNT1 и где проходит граница «прерывания ещё тянут / уже нет» — с числами на руках. Обзор таймеров ATmega328 держи рядом как карту: понимать, где сидит T1 и кто его сосед, полезно до того, как крутишь регистры.

За источник такта Timer1 отвечают три младших бита регистра TCCR1B — CS10, CS11, CS12. Комбинации знакомые: 001 — кварц без делителя, 010 — /8, 011 — /64, 100 — /256, 101 — /1024, 000 — стоп. А вот 110 и 111 — особые: такт берётся с пина T1, по спаду и по фронту соответственно. Ставишь 111 — таймер перестаёт тикать от 16 МГц и ждёт фронтов снаружи; каждый фронт на D5 — плюс один к TCNT1. Остальные биты держим в нуле: WGM-биты нулевые — нормальный режим, без CTC и PWM, форма счёта тут не нужна, период задаёт не мы, а входящий поток.

Два следствия из этой настройки. Первое: счёт идёт до потолка 65535, следующий фронт перекатывает регистр в ноль и ставит флаг TOV1 — переполнение. Если между опросами приходит меньше 65536 импульсов, флаг можно игнорировать; если больше — считай переполнения и добавляй по 65536 к итогу за каждое. Второе: предельная частота внешнего такта ограничена выборкой пина — по datasheet не выше F_CPU/2,5, на 16 МГц это примерно 6,4 МГц. Никакой attachInterrupt близко не подбирается: у него бюджет процессора кончается на десятках килогерц.

Пин у входа один: T1 сидит на D5, переназначить нельзя — заводская разводка мультиплексора. Если D5 занят, варианты честные: перетащить другой сигнал, либо взять таймер со свободным входом (у Timer0 вход T0 на D4, но на Timer0 стоит millis() — трогать его не хочу никогда). Планируй разводку платы под это заранее, а не после того, как дорожки разведены.

Разбор по строкам. TCCR1A = 0 оставляет нормальный режим — там, где от того же Timer1 нужен точный период, живёт CTC с точным периодом, а здесь задача обратная: ритм задаёт поток. TCCR1B = 0b00000111: три младших бита — CS, единицы в них означают внешний такт по фронту, хочешь по спаду — 110. Чтение: unsigned int snimok = TCNT1 одним присваиванием — компилятор подставит чтение младшего байта с фиксацией старшего. Ручное чтение TCNT1H до TCNT1L как раз и ловит рваное значение, если фронт вклинился между байтами: старшая половина от одного числа, младшая от другого.

Теперь бюджет прерываний — те самые числа на руках. Вход в обработчик и выход на AVR стоят около 4-5 мкс чистыми даже с пустым телом; живой счётчик с volatile-переменной и защитой от гонок — 10-15 мкс. При 10 000 имп/с прерывания съедают 10-15% цикла, при 20 000 — четверть-треть, и всё это время loop() стоит. А каждая строка Serial внутри обработчика умножает цену в разы — копи в прерывании, печатай в loop(), иначе и точные замеры micros() вокруг начнут плыть. Расклад простой: редкий поток — геркон, дверная кнопка — attachInterrupt честнее и проще; тысячи импульсов в секунду — аппаратный счётчик вне конкуренции.

Переполнения при плотном потоке: 65 536 импульсов в секунду — флаг TOV1 горит раз в секунду, ловить его в loop() хватает с запасом; для сравнения подходов пригодится прерывание по совпадению CTC, где событие привязано к таймеру. Мой рабочий расклад для станка: 12 000 имп/с дают одно переполнение в 5,5 секунды — ноль прерываний за смену, процессор занят протоколом, а не чужим кодом. LED-маячок из скетча вспыхивает на каждом переполнении — дешёвая проверка живости счёта на собранном железе.