Библиотека TimerOne: таймерные прерывания без регистров

Сигнализация в гараже жила у меня спокойно ровно до того дня, когда я добавил в неё сирену. Часы на сигнализации тикали регистрами из урока про прерывание по таймеру: Timer2 в CTC, тысяча прерываний в секунду, шесть строк с битами WGM21 и CS22 и записью в OCR2A. Сирену я подключил через tone() — и часы встали. Никаких предупреждений при компиляции, никакой реакции в мониторе: просто секунды больше не идут. Пока я полчаса перечитывал свой же код, виновник был у всех на виду: tone() занимает Timer2 целиком и молча перезаписывает мои регистры TCCR2A, OCR2A и TIMSK2 своими. Делить таймер с ним нельзя — карта таймеров это говорит прямо, а я в тот день её не перечитал.

Выход напрашивался сам: перевести тик на Timer1. Но регистры Timer1 в два раза объёмнее — TCCR1A и TCCR1B, 16-битный регистр сравнения, значение в который кладут через временный регистр в строго определённом порядке. Я один раз выписал эту последовательность на бумажку и в тот же вечер нашёл библиотеку TimerOne, которая делает то же самое двумя вызовами: Timer1.initialize(1000) и Timer1.attachInterrupt(naTik). Библиотека сама считает предделитель и границу сравнения из моего числа — именно это я и купил за два килобайта флеша: я задаю период, а биты CS и WGM подбирает она.

В этом уроке — API библиотеки целиком: период в микросекундах и его границы, функция на тик и правила её жизни, пауза и запуск, бонусный ШИМ на пинах 9 и 10. В конце — модель тика в симуляторе: движок TimerOne не знает, поэтому механику собираем честно из переменных — период из потенциометра, пауза кнопкой, гейт без дрейфа.

API библиотеки умещается в пять строк. Timer1.initialize(микросекунды) — обязательный первый вызов: настраивает Timer1 на период, 1000 означает тысячную долю секунды, 50 — период в пятьдесят микросекунд, то есть двадцать тысяч вызовов в секунду. Timer1.setPeriod(микросекунды) — меняет период на ходу, не останавливая счёт. Timer1.attachInterrupt(функция) — вешает вашу функцию на каждый тик; есть и сдвоенная форма Timer1.attachInterrupt(функция, период) — вешает и сразу задаёт период. Границы по документации: от 1 микросекунды — миллион вызовов в секунду, теоретический предел — до 8 388 480 микросекунд, это около 8,3 секунды на тик. Между этими числами библиотека сама подбирает предделитель из ряда 1, 8, 64, 256, 1024 и границу сравнения — вы число подали, она биты разложила.

Функция на тик — это та же ISR, что и в уроке про внешние прерывания, просто источник события не пин, а счётчик. Правила неизменны: переменные, которые она трогает, — volatile; в теле — только арифметика и взвод флагов; Serial и delay внутри — зависание скетча на реальной плате. Все решения принимает loop(): смотрит на счётчик, мигает, печатает, кормит часы. У библиотеки есть и бонусы: Timer1.pwm(пин, duty) и setPwmDuty() дают ШИМ на пинах 9 и 10 мимо analogWrite, а stop(), start() и restart() управляют ходом счётчика — stop ставит паузу, start продолжает с места остановки, restart начинает период заново.

Цена вопроса — такты. Вход и выход из прерывания на 16 МГц стоят несколько десятков тактов, это порядка двух-четырёх микросекунд на каждый вызов. При тике 1000 раз в секунду процессор тратит на прерывания доли процента — незаметно. А мой рекорд бесполезности: мигалка с периодом 2 микросекунды — светодиод честно горел вполнакала, потому что процессор жил внутри обработчика, а loop() доставались крохи: Serial печатал обрывки строк, и опрос кнопки тоже перестал успевать. Правило, к которому я пришёл: тик честнее держать в диапазоне 1-10 килогерц, а каждый шаг выше — сначала оправдать. Если сомневаетесь — начните с тысячи герц и поднимайте частоту только под конкретную задачу, с числом в руках: сколько тактов уходит на обработчик, столько и стоит каждый тик.

Движок симулятора не знает TimerOne — библиотечные вызовы и регистры за пределами его API, и я не буду притворяться наоборот. Модель ниже собрана из того, что движок исполняет, и повторяет логику библиотеки один к один: переменная period — модель периода (в модели миллисекунды вместо микросекунд платы, чтобы переполнения было видно глазом), потенциометр A0 задаёт период — аналог setPeriod на ходу, кнопка D2 — пауза и запуск, это то, что на плате делают Timer1.stop() и Timer1.start(). Гейт lastTik += period вместо lastTik = millis() — тот же приём, что в CTC из прошлого урока: интервал не накапливает хвосты занятости loop и не дрейфует. Светодиод мигает каждые пять тиков — маячок, по которому видно ритм.

Честная оговорка про код выше: скетч с #include <TimerOne.h> — это код для настоящей платы, в симуляторе он не запустится. А вот привычки, которые тренирует модель, — общие: смотреть на тик как на число, менять его одной переменной и никогда не позволять тику зависеть от занятости loop(). В модели цифры карликовые: на плате тот же скетч живёт с периодом 1000 микросекунд — тысяча вызовов в секунду, — и потенциометр там не нужен: setPeriod зовут один раз в setup или по кнопке, а не каждый оборот loop().

Железный тик — это фундамент, на который встаёт планировщик задач: задача срабатывает по счётчику тиков, и занятость loop перестаёт влиять на ритм — задержка между срабатываниями сжимается с «когда-нибудь» до худшего случая в один тик, одну-две миллисекунды. Мои рабочие применения: опрос энкодера каждые 1-2 миллисекунды — декодер таблицей из урока про энкодер на прерываниях прекрасно живёт на тике и перестаёт бояться дребезга; софтверный второй Serial на другой паре пинов — там тик обязан бить в 8-16 раз чаще бода, для 9600 это 8-16 килогерц; шаг конечного автомата раз в 10 мс. Для быстрых замеров до микросекунд — micros() и её пределы, это другой инструмент: тик меряет ритм, micros — длительность.

А где тик не окупается: всё, что медленнее ста раз в секунду, честно закрывается millis-гейтом из урока про millis вместо delay — дороже секунды на прерываниях я не гонял ни разу; для интервалов в часы и сутки есть и watchdog со сном, и обычный счётчик секунд поверх тика. Поглядеть на ритм тика глазами проще всего графиком: выложите tik= в монитор и откройте плоттер — ступеньки с фиксированным шагом и есть ваш период; их наклон подскажет быстрее любого Serial-принта, куда уплыл ритм. И правило из практики: в функции на тик у меня живёт ровно один инкремент — всё остальное это просьба о проблемах, о которых макетка предупредит миганием, а плата — молчанием.