ATmega328P定时器详解

写这篇文章，纯粹是想为博客拉点点击量。在博客园，游客访问好像是不计入阅读量的，而作为一个十八线博主，注册用户的访问应该以搜索引擎为主，博客园首页为次，个位数的粉丝就别谈了。

所以，希望各位从搜索引擎点进来的朋友，多多评论，有问题咱们一起讨论。

我写过AVR单片机教程，设计过自己的Arduino板，希望你相信我能给你带来收获。

什么是定时器

在ATmega328P单片机中，定时/计数器（Timer/Counter）是这样的组件：它需要一个时钟源，驱动一个8或16位的计数器递增或递减，当计数器等于一个值时，会触发一些操作，如产生中断、翻转引脚电平等。由于定时器的时钟源是系统时钟或外接晶振（一种产生频率精准的波的器件）分频得到的，一旦设置好定时器的工作参数，直到下次调整参数，定时器都会按照预期工作，与CPU执行的代码无关。

为什么要用定时器

之前有过这样的经历：

跟一个优秀作品设计者聊了几句，他说同时控制舵机和扬声器很难控制好延时，扬声器输出的音乐节奏会乱。我第一反应当然是他没有用定时器中断，一问果然如此，并且他不知道中断也不知道定时器。

还有一位同学，写TI计算器的程序。在他的一个作品中，每次循环的计算量不定，循环间隔也不定，导致游戏效果不好。他的解决方法是根据计算量计算出循环最后需要的延时，使得循环间隔基本保持不变。

这种思路是相当优秀的。但是如果有定时器可用的话，编程难度会降低，循环间隔的一致性也会更好，是更加优秀的解决方案。

其实你一直在用定时器

Arduino Uno Rev3的3、5、6、9、10、11号端口可以使用analogWrite和tone函数，它们的功能都是利用定时器实现的。用函数确实方便，但是只知使用而不知其原理就只能停留在技术的表面——Arduino的强大封装对开发者的学习有两面性。

定时器其实不知道什么3号端口，它只知道OC2B。两种表示之间的对应关系如下表：

端口编号	硬件符号
3	PD3(PCINT19/OC2B/INT1)
5	PD5(PCINT21/OC0B/T1)
6	PD6(PCINT22/OC0A/AIN0)
9	PB1(PCINT1/OC1A)
10	PB2(PCINT2/SS/OC1B)
11	PB3(PCINT3/OC2A/MOSI)

寄存器

寄存器是开发者与硬件打交道的方式。从编程的语法上，可以把寄存器当作是变量，可以对它赋值，也可以读取它的数值。

寄存器中的位有几种不同的组织结构，它们的存取方式也不尽相同：

TCCR1B寄存器中有4组参数：ICNC1、ICES1、WGM1[3:2]、CS1[2:0]。现在你完全无需理解这些字母的含义，但是得对这些数字有个概念：WGM1[3:2]表示从WGM13到WGM12；TCCR1B中的1表示该寄存器属于定时器1，ICNC1和WGM13等名字中的1也是；CS12中的2表示该位为CS1[2:0]位域（bitfield）中的第2位（最低位为第0位）。

ICNC1和ICES1都是1位的位域，它们的值可以是0或1；WGM1[3:2]是2位的位域，它的值可以是00、01、10、11；CS1[2:0]同理。

你也许一眼就能看出二进制的11在十进制中是3，但是你很可能看不出23对应10111。在Arduino编程中（语言为C++），二进制数可以直接写，无需与十进制或十六进制转换。Arduino提供的方法是B10111，GCC提供的是0b10111（0b前缀字面量是C++14标准才规定的）。后者是我一直以来的习惯。

假如我要把这4个参数分别写为1、0、0b00、0b101，就要写：

TCCR1B =     1 << ICNC1

       |     0 << ICES1

       |  0b00 << WGM12

       | 0b101 << CS10

       ;

全是0的可以不写，写是为了可读性。ICNC1是寄存器的第7位，所以代码中它的值就是7，其他位同理。

如果要判断ICNC1位是否为1：

if (TCCR1B & 1 << ICNC1)

    // ...

如果要读取WGM1[3:2]位：

uint8_t wgm = (TCCR1B & 0b11 << WGM12) >> WGM12;

有的位因为不存在而不能写，如TCCR1B的第5位；有的位即使存在但是只读所以也不能写；有的位域分布于多个寄存器中，如WGM1[3:0]，低两位在TCCR1A，高两位在TCCR1B。

除了一个或多个位的位域以外，有些寄存器是整体使用的：

可以直接当变量读写：

OCR0A = 233;

uint8_t ocr0a = OCR0A;

还有16位寄存器，虽然读写不能用一句汇编搞定，但是高级语言层面上可以：

TCNT1 = 10086;

uint16_t tcnt1 = TCNT1;

不超过255的话可以只写低字节TCNT1L。

定时器相关寄存器总览：

定时器的工作模式

读数据手册无疑是深入了解单片机的最好方法，可惜很多人没这个耐心，几十页的英语也不是每个人都吃得消的。有些中文书打着介绍AVR单片机的幌子翻译数据手册，不仅没有营养还漏洞百出，我不也推荐。写这篇文章，也有避免后人重蹈覆辙的目的。

当然，除了有代码示例以外，本文再“详解”也详细不过数据手册，不过至少可以让你对定时器有个大致的印象，不致于让你读的时候一头雾水。

ATmega328P有3个定时器：定时器0、定时器1和定时器2（简单粗暴）。0和2都是8位的，2支持异步工作；1是16位的，精度更高，支持更多工作模式。我接触过其他型号的单片机，AVR的定时器是相对简单的。

定时器有3种工作模式：普通模式、CTC模式、PWM模式，其中PWM还分快速PWM、相位矫正（波形居中）PWM、相位与频率矫正PWM（频率可以任取，仅限定时器1）。

先讲各种模式中共通的部分。定时器需要一个时钟源，它可以是：

时钟源	适用范围
无	所有
$clk_{I/O} / N, N = 1, 8, 64, 256, 1024$ （$clk_{I/O}$为系统时钟，16MHz）	定时器0/1
`T0`（`4`）引脚上升/下降沿	定时器0
`T1`（`5`）引脚上升/下降沿	定时器1
$clk_{T2S} / N, N = 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024$ （$clk_{T2S}$为系统时钟或外置32kHz晶振）	定时器2

工作模式之间的区别在于计数器的变化方向与范围，介绍之前需要先下3个定义：

名称	描述
`BOTTOM`	`0`，计数器的最小值
`MAX`	对8位定时器为`0xFF`，对16位定时器为`0xFFFF`，计数器的最大可能值
`TOP`	计数器达到这个值时，可能会被清零，或变化方向改变对定时器0和2，可以为`MAX`或`OCRnA` 对定时器1，可以为`0x00FF`、`0x01FF`、`0x03FF`、`OCR1A`或`ICR1`

普通模式中，计数器从0开始增长到MAX，然后溢出回到0，周而复始。频率为（$clk$为定时器时钟频率）

\[\frac {clk} {MAX + 1}
\]
CTC模式和快速PWM模式中，计数器从0开始增长到TOP，然后不再继续增长而是直接回到0，重新开始增长。频率为

\[\frac {clk} {TOP + 1}
\]
两种相位矫正PWM模式中，计数器从0到TOP，再从TOP回到0，如此循环。频率为

\[\frac {clk} {2 TOP}
\]

计数器比较

当计数器的值与OCRnA或OCRnB相等时，可以对OCnx的电平进行一些操作。

所有模式下，OCnx都可以不连接定时器。
非PWM模式下，可以把OCnx置为低电平、高电平或翻转电平，tone就是这样实现的；
PWM模式下，有正相和反相两种模式，正相为OCRnx越大占空比越高，analogWrite就是这样实现的；反相反之；有些配置下OCnA可以被翻转，请参考数据手册。

由于引脚电平可以有宏观表现，我们终于可以开始写代码了。

先试试tone。在9号端口上连接一个蜂鸣器，使用定时器1的CTC模式，产生440Hz方波：

void setup() {

  pinMode(9, OUTPUT);

  TCCR1A = 0b01 << COM1A0 | 0b00 << WGM10;

  TCCR1B = 0b01 << WGM12 | 0b001 << CS10;

  OCR1A = 18181;

}

void loop() {

}

OCR1A = 18181是怎么来的呢？每次计数器与OCR1A相等电平翻转，两次为一周期，频率为$\frac {clk} {2(OCR1A + 1)}$。先取$clk$为不分频试试，算出OCR1A为18181，没有超过最大值65535，因此就取这个。如果超过了，就要把定时器频率下调，直到OCRnx合理为止。

如果要让程序以频率为参数计算出合适的分频系数与OCRnx值，可以参考tone的实现。

再试试analogWrite。在3号端口上连接一个LED，使用定时器2的快速PWM模式，实现呼吸灯的效果：

void setup() {

  pinMode(3, OUTPUT);

  TCCR2A = 0b10 << COM2B0 | 0b11 << WGM20;

  TCCR2B = 0 << WGM22 | 0b100 << CS20;

}

int brightness = 0;

int fadeAmount = 5;

void loop() {

  OCR2B = brightness;

  brightness = brightness + fadeAmount;

  if (brightness <= 0 || brightness >= 255)

    fadeAmount = -fadeAmount;

  delay(30);

}

在快速PWM模式中，正相输出占空比不能为0，反相输出占空比不能为1，如果要达到这两个值，需要断开引脚与定时器的连接，用digitalWrite等方法输出。

定时器中断

懒得写了，我抄我自己：

中断，是单片机的精华。

当一个事件发生时，CPU会停止当前执行的代码，转而处理这个事件，这就是一个中断。触发中断的事件成为中断源，处理事件的函数称为中断服务程序（ISR）。

中断在单片机开发中有着举足轻重的地位——没有中断，很多功能就无法实现。比如，在程序干别的事时接受UART总线上的输入，而uart_scan_char等函数只会接收调用该函数后的输入，先前的则会被忽略。利用中断，我们可以在每次接受到一个字节输入时把数据存放到缓冲区中，程序可以从缓冲区中读取已经接收的数据。

AVR单片机支持多种中断，包括外部引脚中断、定时器中断、总线中断等。每一个中断被触发时，通过中断向量表跳转到对应ISR。如果一个中断对应的ISR不存在，链接器会把复位地址放在那里，如果这个中断被响应程序就会复位（但单片机不会复位）。

那么，我们以前从未写过ISR，但经常改变引脚电平，为什么没有复位呢？因为中断默认是不开启的。要启用一个中断，需要让两个位于不同寄存器中的位为1，一个是中断对应的中断使能位，每个中断都有各自的位，另一个是全局中断使能位，位于寄存器SREG中，不能直接存取，需要通过定义在<avr/interrupt.h>头文件中的sei()函数开全局中断，相对地，cli()用于关全局中断。

定时器中断同样有着举足轻重的地位——操作系统的任务调度就是在定时器中断中进行的。如果没有中断，CPU就在那自顾自地执行代码，它哪知道什么时候要调度呢？正因为定时器是独立于CPU运行的，时间控制非常精准且不受影响，因而能解决前面优秀作品和计算器游戏中的问题。

什么时候需要定时器中断呢？当你发现没有中断的程序结构不能胜任你的需求时，或者……把所有代码都放进ISR。比如，每1ms产生一次中断，先检测按键是否被按下，根据其情况执行相应操作。

每个定时器都有3个中断源：OVF、COMPA和COMPB（定时器1还有CAPT），分别在计数器溢出、与OCRnA、OCRnB相等时触发。

产生精准的定时器中断，一般使用CTC模式和COMPA中断，分频系数与TOP值的计算方法与上面相同。

void setup() {

  pinMode(13, OUTPUT);

  TCCR1A = 0b00 << WGM10;

  TCCR1B = 0b01 << WGM12 | 0b100 << CS10;

  OCR1A = 31249;

  TIMSK1 = 1 << OCIE1A;

  sei();

}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)

{

  static bool light = true;

  digitalWrite(13, light = !light);

}

void loop() {

}

在这个程序中：

WGM1[3:0] = 0b0100，定时器1工作于CTC模式，TOP为OCR1A；
CS1[2:0] = 0b100，时钟为$clk_{I/O} / 256$，分频系数$N = 256$；
OCR1A为31249；
TIMSK1中OCIE1A置位，sei()开全局中断，COMPA中断启用；
ISR(TIMER1_COMPA_vect)为定时器1COMPA中断的函数头，TIMER1_COMPA_vect这个名字可以当成函数来用；
定时器中断频率为$f = \frac {clk} {TOP + 1} = \frac {F\_CPU} {N \cdot (OCR1A + 1)} = \frac {16 \times 10^6} {256 \times (31249 + 1)} = 2Hz$。

一般而言，定时器中断的频率不要超过10kHz，1kHz已经能够应付旋转编码器了。

进入中断后，全局中断会自动禁用，如果中断代码执行期间发生了定时器事件，对应的中断不会触发，而是等到当前中断返回后再处理。可以用sei()开中断，但是要小心代码执行时间接近或超过周期的情况，虽然定时准了，但中断嵌套导致内存耗尽，程序跑飞了，得不偿失。可以考虑另一种时间同步的方法，在loop的最后轮询OCFnA直到它置位：

void setup() {

  pinMode(13, OUTPUT);

  TCCR1A = 0b00 << WGM10;

  TCCR1B = 0b01 << WGM12 | 0b100 << CS10;

  OCR1A = 31249;

}

void loop() {

  static bool light = true;

  digitalWrite(13, light = !light);

  while (!(TIFR1 & 1 << OCF1A))

    ;

  TIFR1 |= 1 << OCF1A;

}

这种程序结构有定时作用，但不能中断。频率较高的时候，推荐使用后一种，顶多定时不准，程序还是能运行的。

照顾一下Arduino

Arduino库非常贪心，在setup之前就把所有定时器都开启了（也许你不同意，但我想把这种行为称为“流氓”——想想百度网盘偷了你多少带宽和流量！）。定时器0是时间相关函数的命根，除非你想把它割掉，否则不要动定时器0。如果你不动定时器0，5和6的analogWrite和tone可以照常使用。

如果你要用定时器1，如用以下代码配置周期为1ms的定时器中断：

void init_timer1()

{

  TCCR1A = 0b00 << WGM10;

  TCCR1B = 0b01 << WGM12 | 0b011 << CS10;

  OCR1AL = 249;

  TIMSK1 = 1 << OCIE1A;

  sei();

}

void setup() {

  init_timer1();

  // ...

}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)

{

  // ...

}

void loop() {

  // ...

}

需要注意：

由于Arduino库在setup之前动过TCCR1A，不能认为在执行我们的代码时TCCR1A为默认值，因此即使我们想要的是默认值也不能省略。
9和10端口不仅analogWrite和tone不能用，digitalWrite也不能用！请直接使用寄存器写引脚电平，参见：AVR单片机教程——数字IO寄存器。

定时器2同理，3和11不能用。

void init_timer2()

{

  TCCR2A = 0b10 << WGM20;

  TCCR2B = 0 << WGM22 | 0b100 << CS20;

  OCR2A = 249;

  TIMSK2 = 1 << OCIE2A;

  sei();

}

void setup() {

  init_timer2();

  // ...

}

ISR(TIMER2_COMPA_vect)

{

  // ...

}

void loop() {

  // ...

}

其他功能

有些工作模式下，向OCRnx写值并不会立即更新它，而是会在计数器达到BOTTOM或TOP时更新，这保证了PWM占空比的正确性，但是CTC模式中OCRnx是立即更新的，可能会错过匹配。

定时器1有输入捕获单元，可以对信号进行计数，计数达到一定值时触发中断。外部中断同样可以捕获引脚电平变化，但是中断是有成本的，信号频率不能太高，而定时器的捕获功能更加强大。

定时器1有额外的ICR1寄存器，作为TOP值可以实现许多特殊的功能，并且由于定时器1是16位的，即使是复用时的精度也比定时器0和2高，见思考题1。

定时器2可以用外置晶振驱动，比较适合实现实时时钟，可以在系统时钟停止的省电状态下工作。

思考题

对于同一个定时器，中断与PWM能否同时使用？方波与PWM波能否同时输出？
尝试用定时器中断来创造新的PWM通道，频率和精度能实现呼吸灯即可。
在STM8单片机中，定时器TIM1、TIM5、TIM6可以相互控制。ATmega328P能否实现类似的功能？