寫這篇文章，純粹是想為博客拉點點擊量。在博客園，游客訪問好像是不計入閱讀量的，而作為一個十八線博主，注冊用戶的訪問應(yīng)該以搜索引擎為主，博客園首頁為次，個位數(shù)的粉絲就別談了。

所以，希望各位從搜索引擎點進來的朋友，多多評論，有問題咱們一起討論。

我寫過AVR單片機教程，設(shè)計過自己的Arduino板，希望你相信我能給你帶來收獲。

我不想聽你放那么多屁，我只想知道周期為1ms的定時器中斷怎么寫！

什么是定時器

在ATmega328P單片機中，定時/計數(shù)器（Timer/Counter）是這樣的組件：它需要一個時鐘源，驅(qū)動一個8或16位的計數(shù)器遞增或遞減，當(dāng)計數(shù)器等于一個值時，會觸發(fā)一些操作，如產(chǎn)生中斷、翻轉(zhuǎn)引腳電平等。由于定時器的時鐘源是系統(tǒng)時鐘或外接晶振（一種產(chǎn)生頻率精準(zhǔn)的波的器件）分頻得到的，一旦設(shè)置好定時器的工作參數(shù)，直到下次調(diào)整參數(shù)，定時器都會按照預(yù)期工作，與CPU執(zhí)行的代碼無關(guān)。

為什么要用定時器

之前有過這樣的經(jīng)歷：

跟一個優(yōu)秀作品設(shè)計者聊了幾句，他說同時控制舵機和揚聲器很難控制好延時，揚聲器輸出的音樂節(jié)奏會亂。我第一反應(yīng)當(dāng)然是他沒有用定時器中斷，一問果然如此，并且他不知道中斷也不知道定時器。

還有一位同學(xué)，寫TI計算器的程序。在他的一個作品中，每次循環(huán)的計算量不定，循環(huán)間隔也不定，導(dǎo)致游戲效果不好。他的解決方法是根據(jù)計算量計算出循環(huán)最后需要的延時，使得循環(huán)間隔基本保持不變。

這種思路是相當(dāng)優(yōu)秀的。但是如果有定時器可用的話，編程難度會降低，循環(huán)間隔的一致性也會更好，是更加優(yōu)秀的解決方案。

其實你一直在用定時器

Arduino Uno Rev3的3、5、6、9、10、11號端口可以使用analogWrite和tone函數(shù)，它們的功能都是利用定時器實現(xiàn)的。用函數(shù)確實方便，但是只知使用而不知其原理就只能停留在技術(shù)的表面——Arduino的強大封裝對開發(fā)者的學(xué)習(xí)有兩面性。

定時器其實不知道什么3號端口，它只知道OC2B。兩種表示之間的對應(yīng)關(guān)系如下表：

寄存器

寄存器是開發(fā)者與硬件打交道的方式。從編程的語法上，可以把寄存器當(dāng)作是變量，可以對它賦值，也可以讀取它的數(shù)值。

寄存器中的位有幾種不同的組織結(jié)構(gòu)，它們的存取方式也不盡相同：

TCCR1B寄存器中有4組參數(shù)：ICNC1、ICES1、WGM1[3:2]、CS1[2:0]。現(xiàn)在你完全無需理解這些字母的含義，但是得對這些數(shù)字有個概念：WGM1[3:2]表示從WGM13到WGM12；TCCR1B中的1表示該寄存器屬于定時器1，ICNC1和WGM13等名字中的1也是；CS12中的2表示該位為CS1[2:0]位域（bitfield）中的第2位（最低位為第0位）。

ICNC1和ICES1都是1位的位域，它們的值可以是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。

你也許一眼就能看出二進制的11在十進制中是3，但是你很可能看不出23對應(yīng)10111。在Arduino編程中（語言為C++），二進制數(shù)可以直接寫，無需與十進制或十六進制轉(zhuǎn)換。Arduino提供的方法是B10111，GCC提供的是0b10111（0b前綴字面量是C++14標(biāo)準(zhǔn)才規(guī)定的）。后者是我一直以來的習(xí)慣。

假如我要把這4個參數(shù)分別寫為1、0、0b00、0b101，就要寫：

TCCR1B =     1 << ICNC1

       |     0 << ICES1

       |  0b00 << WGM12

       | 0b101 << CS10

       ;

全是0的可以不寫，寫是為了可讀性。ICNC1是寄存器的第7位，所以代碼中它的值就是7，其他位同理。

如果要判斷ICNC1位是否為1：

if (TCCR1B & 1 << ICNC1)

    // ...

如果要讀取WGM1[3:2]位：

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

有的位因為不存在而不能寫，如TCCR1B的第5位；有的位即使存在但是只讀所以也不能寫；有的位域分布于多個寄存器中，如WGM1[3:0]，低兩位在TCCR1A，高兩位在TCCR1B。

除了一個或多個位的位域以外，有些寄存器是整體使用的：

可以直接當(dāng)變量讀寫：

OCR0A = 233;

uint8_t ocr0a = OCR0A;

還有16位寄存器，雖然讀寫不能用一句匯編搞定，但是高級語言層面上可以：

TCNT1 = 10086;

uint16_t tcnt1 = TCNT1;

不超過255的話可以只寫低字節(jié)TCNT1L。

定時器相關(guān)寄存器總覽：

定時器的工作模式

讀數(shù)據(jù)手冊無疑是深入了解單片機的最好方法，可惜很多人沒這個耐心，幾十頁的英語也不是每個人都吃得消的。有些中文書打著介紹AVR單片機的幌子翻譯數(shù)據(jù)手冊，不僅沒有營養(yǎng)還漏洞百出，我不也推薦。寫這篇文章，也有避免后人重蹈覆轍的目的。

當(dāng)然，除了有代碼示例以外，本文再“詳解”也詳細(xì)不過數(shù)據(jù)手冊，不過至少可以讓你對定時器有個大致的印象，不致于讓你讀的時候一頭霧水。

ATmega328P有3個定時器：定時器0、定時器1和定時器2（簡單粗暴）。0和2都是8位的，2支持異步工作；1是16位的，精度更高，支持更多工作模式。我接觸過其他型號的單片機，AVR的定時器是相對簡單的。

定時器有3種工作模式：普通模式、CTC模式、PWM模式，其中PWM還分快速PWM、相位矯正（波形居中）PWM、相位與頻率矯正PWM（頻率可以任取，僅限定時器1）。

先講各種模式中共通的部分。定時器需要一個時鐘源，它可以是：

工作模式之間的區(qū)別在于計數(shù)器的變化方向與范圍，介紹之前需要先下3個定義：

• 普通模式中，計數(shù)器從0開始增長到MAX，然后溢出回到0，周而復(fù)始。頻率為（clkclk為定時器時鐘頻率）

  
  

  clkMAX+1clkMAX+1

  
  

• CTC模式和快速PWM模式中，計數(shù)器從0開始增長到TOP，然后不再繼續(xù)增長而是直接回到0，重新開始增長。頻率為

  
  

  clkTOP+1clkTOP+1

  
  

• 兩種相位矯正PWM模式中，計數(shù)器從0到TOP，再從TOP回到0，如此循環(huán)。頻率為

  
  

  clk2TOPclk2TOP

  
  

計數(shù)器比較

當(dāng)計數(shù)器的值與OCRnA或OCRnB相等時，可以對OCnx的電平進行一些操作。

• 所有模式下，OCnx都可以不連接定時器。

• 非PWM模式下，可以把OCnx置為低電平、高電平或翻轉(zhuǎn)電平，tone就是這樣實現(xiàn)的；

• PWM模式下，有正相和反相兩種模式，正相為OCRnx越大占空比越高，analogWrite就是這樣實現(xiàn)的；反相反之；有些配置下OCnA可以被翻轉(zhuǎn)，請參考數(shù)據(jù)手冊。

由于引腳電平可以有宏觀表現(xiàn)，我們終于可以開始寫代碼了。

先試試tone。在9號端口上連接一個蜂鳴器，使用定時器1的CTC模式，產(chǎn)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是怎么來的呢？每次計數(shù)器與OCR1A相等電平翻轉(zhuǎn)，兩次為一周期，頻率為clk2(OCR1A+1)clk2(OCR1A+1)。先取clkclk為不分頻試試，算出OCR1A為18181，沒有超過最大值65535，因此就取這個。如果超過了，就要把定時器頻率下調(diào)，直到OCRnx合理為止。

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);

}

如果要讓程序以頻率為參數(shù)計算出合適的分頻系數(shù)與OCRnx值，可以參考tone的實現(xiàn)。

再試試analogWrite。在3號端口上連接一個LED，使用定時器2的快速PWM模式，實現(xiàn)呼吸燈的效果：

在快速PWM模式中，正相輸出占空比不能為0，反相輸出占空比不能為1，如果要達到這兩個值，需要斷開引腳與定時器的連接，用digitalWrite等方法輸出。

定時器中斷

懶得寫了，我抄我自己：

中斷，是單片機的精華。

當(dāng)一個事件發(fā)生時，CPU會停止當(dāng)前執(zhí)行的代碼，轉(zhuǎn)而處理這個事件，這就是一個中斷。觸發(fā)中斷的事件成為中斷源，處理事件的函數(shù)稱為中斷服務(wù)程序（ISR）。

中斷在單片機開發(fā)中有著舉足輕重的地位——沒有中斷，很多功能就無法實現(xiàn)。比如，在程序干別的事時接受UART總線上的輸入，而uart_scan_char等函數(shù)只會接收調(diào)用該函數(shù)后的輸入，先前的則會被忽略。利用中斷，我們可以在每次接受到一個字節(jié)輸入時把數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)中，程序可以從緩沖區(qū)中讀取已經(jīng)接收的數(shù)據(jù)。

AVR單片機支持多種中斷，包括外部引腳中斷、定時器中斷、總線中斷等。每一個中斷被觸發(fā)時，通過中斷向量表跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)ISR。如果一個中斷對應(yīng)的ISR不存在，鏈接器會把復(fù)位地址放在那里，如果這個中斷被響應(yīng)程序就會復(fù)位（但單片機不會復(fù)位）。

那么，我們以前從未寫過ISR，但經(jīng)常改變引腳電平，為什么沒有復(fù)位呢？因為中斷默認(rèn)是不開啟的。要啟用一個中斷，需要讓兩個位于不同寄存器中的位為1，一個是中斷對應(yīng)的中斷使能位，每個中斷都有各自的位，另一個是全局中斷使能位，位于寄存器SREG中，不能直接存取，需要通過定義在頭文件中的sei()函數(shù)開全局中斷，相對地，cli()用于關(guān)全局中斷。

定時器中斷同樣有著舉足輕重的地位——操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度就是在定時器中斷中進行的。如果沒有中斷，CPU就在那自顧自地執(zhí)行代碼，它哪知道什么時候要調(diào)度呢？正因為定時器是獨立于CPU運行的，時間控制非常精準(zhǔn)且不受影響，因而能解決前面優(yōu)秀作品和計算器游戲中的問題。

什么時候需要定時器中斷呢？當(dāng)你發(fā)現(xiàn)沒有中斷的程序結(jié)構(gòu)不能勝任你的需求時，或者……把所有代碼都放進ISR。比如，每1ms產(chǎn)生一次中斷，先檢測按鍵是否被按下，根據(jù)其情況執(zhí)行相應(yīng)操作。

每個定時器都有3個中斷源：OVF、COMPA和COMPB（定時器1還有CAPT），分別在計數(shù)器溢出、與OCRnA、OCRnB相等時觸發(fā)。

產(chǎn)生精準(zhǔn)的定時器中斷，一般使用CTC模式和COMPA中斷，分頻系數(shù)與TOP值的計算方法與上面相同。

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() {

}

在這個程序中：

WGM1[3:0] = 0b0100，定時器1工作于CTC模式，TOP為OCR1A；

CS1[2:0] = 0b100，時鐘為clkI/O/256，分頻系數(shù)N=256；

OCR1A為31249；

TIMSK1中OCIE1A置位，sei()開全局中斷，COMPA中斷啟用；

ISR(TIMER1_COMPA_vect)為定時器1COMPA中斷的函數(shù)頭，TIMER1_COMPA_vect這個名字可以當(dāng)成函數(shù)來用；

定時器中斷頻率為f=clkTOP+1=F_CPUN?(OCR1A+1)=16×106256×(31249+1)=2Hz。

一般而言，定時器中斷的頻率不要超過10kHz，1kHz已經(jīng)能夠應(yīng)付旋轉(zhuǎn)編碼器了。

進入中斷后，全局中斷會自動禁用，如果中斷代碼執(zhí)行期間發(fā)生了定時器事件，對應(yīng)的中斷不會觸發(fā)，而是等到當(dāng)前中斷返回后再處理。可以用sei()開中斷，但是要小心代碼執(zhí)行時間接近或超過周期的情況，雖然定時準(zhǔn)了，但中斷嵌套導(dǎo)致內(nèi)存耗盡，程序跑飛了，得不償失?？梢钥紤]另一種時間同步的方法，在loop的最后輪詢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;

}

這種程序結(jié)構(gòu)有定時作用，但不能中斷。頻率較高的時候，推薦使用后一種，頂多定時不準(zhǔn)，程序還是能運行的。

照顧一下Arduino

Arduino庫非常貪心，在setup之前就把所有定時器都開啟了（也許你不同意，但我想把這種行為稱為“流氓”——想想百度網(wǎng)盤偷了你多少帶寬和流量！）。定時器0是時間相關(guān)函數(shù)的命根，除非你想把它割掉，否則不要動定時器0。如果你不動定時器0，5和6的analogWrite和tone可以照常使用。

如果你要用定時器1，如用以下代碼配置周期為1ms的定時器中斷：

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庫在setup之前動過TCCR1A，不能認(rèn)為在執(zhí)行我們的代碼時TCCR1A為默認(rèn)值，因此即使我們想要的是默認(rèn)值也不能省略。

9和10端口不僅analogWrite和tone不能用，digitalWrite也不能用！請直接使用寄存器寫引腳電平，參見：AVR單片機教程——數(shù)字IO寄存器。

定時器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寫值并不會立即更新它，而是會在計數(shù)器達到BOTTOM或TOP時更新，這保證了PWM占空比的正確性，但是CTC模式中OCRnx是立即更新的，可能會錯過匹配。

定時器1有輸入捕獲單元，可以對信號進行計數(shù)，計數(shù)達到一定值時觸發(fā)中斷。外部中斷同樣可以捕獲引腳電平變化，但是中斷是有成本的，信號頻率不能太高，而定時器的捕獲功能更加強大。

定時器1有額外的ICR1寄存器，作為TOP值可以實現(xiàn)許多特殊的功能，并且由于定時器1是16位的，即使是復(fù)用時的精度也比定時器0和2高，見思考題1。

定時器2可以用外置晶振驅(qū)動，比較適合實現(xiàn)實時時鐘，可以在系統(tǒng)時鐘停止的省電狀態(tài)下工作。