Таймеры ATmega328: обзор Timer0, Timer1, Timer2

Будильник-фоторамка был моим самым нарядным проектом: шторка на серво открывалась к рассвету, зуммер играл мажорную трель, подсветка плавно набирала яркость через analogWrite(9, ...). Каждая часть по отдельности работала. Собранные вместе — серво честно открывалось, трель играла, а подсветка застыла на минимуме: analogWrite на пин 9 больше не влиял на яркость. Я полчаса перепаивал провода, проверял резистор, перешивал плату — пока не дошёл, что сломался не пин. У пина больше не было таймера.

Так я познакомился с картой занятости Uno. У ATmega328P три аппаратных таймера, и все три расхватаны ещё до вашего setup(): один крутит millis() и delay(), второй — Servo.h, третий — tone(). Библиотеки забирают таймер целиком и молча, а всё, что было на нём подвешено, — ШИМ соседних пинов — умирает без единой ошибки в мониторе. В этом уроке — карта: какой таймер на чём сидит, что такое предделитель и разрядность, почему пины 5 и 6 мигают вдвое чаще остальных и как разводить периферию, чтобы ничего не гасило ничего.

Разобраться стоит не ради теории: примерно половина загадочных багов с ШИМ и таймингами на Uno — конфликт на таймерах. В конце — симулятор, который показывает механику честно, на переменных: один такт, три счётчика с разными предделителями и переполнение, от которого рождается мигание.

Таймер — это счётчик, который тикает сам, без вашего кода. Источник тиков — кварц на 16 МГц; столько тиков в секунду ни одному скетчу не нужно, поэтому предделитель делит частоту — на 8, на 64, до 1024. Счётчик прибавляет единицу на каждый уцелевший такт и считает от нуля до верхней границы своей разрядности: 8 бит дают максимум 255, 16 бит — 65 535. По пути он следит за двумя событиями: переполнение — счётчик прыгнул через максимум, и совпадение — он догнал число, заранее записанное в регистр сравнения OCR. На каждом событии таймер умеет дёрнуть аппаратно: взвести флаг, позвать прерывание, переключить ШИМ-пин. Как именно зовутся прерывания — картина из урока про attachInterrupt, только источник события не пин, а сам счётчик.

Всё, что вы считали софтверно, у таймера получается без единой строчки в loop(). Мигалки на millis() из соответствующего урока — это чужой таймер, работающий на вас: millis() просто пересчитывает тики Timer0. И ШИМ из урока про analogWrite — тоже таймеры: duty cycle 0-255 совпадает с разрядностью счётчика не по красивой случайности, а по устройству.

И теперь карта занятости. Ядро Arduino при старте настраивает все три таймера под себя, у каждого — свои ШИМ-пины. Пока не подключено ни одной библиотеки, всё делится мирно. Конфликт начинается, когда два потребителя претендуют на один таймер, — и проигрывает всегда более слабый: ваш analogWrite, а не библиотека.

Числа, из которых складывается millis(). Timer0 тикает через предделитель 64: 16 000 000 / 64 = 250 000 тиков в секунду. Счётчик 8-битный — переполняется каждые 256 тиков, то есть 976,5 раза в секунду. Один тик счётчика — 4 мкс, 256 тиков — 1024 мкс: не ровно миллисекунда, а чуть больше, и ядро добирает дробь коррекцией, чтобы millis() не уплыл. Отсюда же и единственное отличие частот ШИМ: на пинах 5 и 6 он выходит на 976 Гц, а на 3, 9, 10 и 11 — на 490 Гц. Пины с тильдой не равны между собой, потому что их обслуживают разные таймеры в разных настройках.

Timer1 — старший: 16 бит, счёт до 65 535. Ему отдают задачи, где нужна дальность, а не скорость. Плавное движение серво сидит на Timer1 целиком: Servo.h генерирует импульсы с периодом 20 мс (50 Гц) именно его средствами, и пины 9-10 для ШИМ закрыты, пока библиотека живёт. Timer2 — младший из рабочих: он кормит зуммер и tone(), поэтому тональность звука — это буквально настройка таймера, отсюда и границы 31-65 535 Гц из того урока. У Timer2 есть и уникальный талант: он умеет ходить от внешнего часового кварца 32 768 Гц вместо основного генератора — режим для часов реального времени; на Uno я в это не лезу, потому что есть DS3231 с собственным кварцем и температурной компенсацией.

Мнение с границей: Timer0 я не трогаю никогда. Однажды я поднял его предделитель ради более точного ШИМ на 5-м пине — millis() замедлился в восемь раз, delay() вместе с ним, и все таймауты скетча поехали; двадцать минут я искал магию в датчике, а она была в одном бите CS. Если таймера не хватает — смотрите в сторону четвёртого, сторожевого: watchdog и режимы сна закрывают большинство желаний получить ещё один независимый тик.

Движок симулятора регистры TCCR0B не эмулирует — и не надо: карта таймеров про железо. Но механику счёта — такт, предделитель, переполнение — можно собрать честно из переменных, и ниже она собрана. Один оборот loop() с delay(1) — один модельный такт. Три переменные t0, t1 и t2 изображают три счётчика с предделителями 1, 8 и 64: каждый растёт через раз и сбрасывается, перепрыгнув через TOP 255 — верхний предел 8-битного счётчика. На реальной плате те же шаги делают биты CS в регистрах TCCR, только такт там — 4 микросекунды от кварца, а не миллисекунда от delay(1).

Светодиод мигает от переполнения t0 — ровно так рождаются миллисекунды: не магия, а счётчик, дошедший до верха. Печать раз в сто миллисекунд выкладывает t0=, t1= и t2= в монитор, и плоттер разложит их в три пилы разной крутизны: у t0 склоны самые крутые, t2 ползёт в шестьдесят четыре раза медленнее. За минуту наблюдения видно всё, что говорит таблица выше: один такт — три счётчика — три скорости.