AVR. Учебный Курс. Асинхронный режим таймера

Иногда полезно иметь в системе часы отсчитывающие время в секундах, да еще с высокой точностью. Часто для этих целей применяют специальные микросехмы RTC (Real Time Clock) вроде PCF8583. Вот только это дополнительный корпус, да и стоит она порой как сам МК, хотя можно обойтись и без нее. Тем более, что многие МК имеют встроенный блок RTC. В AVR его правда нет, но там есть асинхронный таймер, служащий полуфабрикатом для изготовления часиков.

Первым делом нам нужен часовой кварц на 32768Герц.

Почему кварц именно 32768Гц и почему его зовут часовым? Да все очень просто 32768 является степенью двойки. Два в пятнадцатой степени. Поэтому пятнадцати разрядный счетчик, тикающий с частотой 32768 Гц, будет переполняться раз в секунду. Это дает возможность строить часы на обычной логической рассыпухе без каких либо заморочек. А в микроконтроллере AVR организовать часы с секундами можно почти без использования мозга, на рефлексах периферии.

Асинхронный режим таймера
Помните как работают таймеры? Тактовая частота с основного тактового генератора (RC внешняя или внутренняя, внешний кварц или внешний генератор) поступает на предделители, а с выхода предделителей уже щелкает значениями регистра TCNT. Либо сигнал на вход идет с счетного входа Тn и также щелкает регистром TCNT

Структура же Timer/Counter2 немного отличается от остальных у него нет счетного входа, зато есть возможность задействовать собственный тактовый генератор.

Для этого на выводы TOSC2 и TOSC1 вешается кварцевый резонатор. Низкочастотный, обычно это часовой кварц на 32768Гц. На Pinboard он смонтирован справа от контроллера и подключается перемычками. Причем тактовая частота процессора должна быть выше как минимум в четыре раза. У нас тактовая от внутреннего генератора 8Мгц, так что нас это условие вообще не парит

Часовой кварц вешается просто на выводы. Без конденсаторов и каких либо заморочек.

И не нужно высчитывать количество тактов основного кварца, а если его нет, то заморачиваться на плавающую частоту встроенного RC генератора. Часовой кварц имеет куда более компактные размеры чем обычный кварц, да и стоит дешевле.

Также немаловажным является тот факт, что асинхронный таймер может тикать сам по себе, от часового кварца, ведь тактовая частота процессора ему не нужна, а это значит тактирование ядра контроллера (самое жручее, что у него есть) можно отключить, загнав процессор в спячку, существенно снизив потребление энергии и просыпаясь только по переполнению таймера (1-2 раза в секунду), чтобы записать новые показания времени.

Конфигурирование
Для включения надо всего лишь установить бит AS2 регистра ASSR и все, таймер работает в асинхронном режиме. Но есть тут одна фича которая мне стоила много головняков в свое время. Дело в том, что при работе от своего кварца все внутренние регистры таймера начинают синхронизироваться по своему же кварцу. А он медленный и основная программа может менять уже введенное значение гораздо быстрей чем оно обработается таймером.

Т.е., например, предустановил ты значение TCNT2, таймер на своей 32кгц молотилке его еще даже прожевать не успел, а твой алгоритм уже пробежал и снова туда что то записал в результате в TCNT2 наверняка попадет мусор. Чтобы этого не случилось запись буфферизируется. Т.е. это ты думаешь, что записал данные в TCNT2, но на самом деле они попадают во временный регистр и в счетный попадут только через три такта медленного генератора.

Также буфферизируется регистры сравнения OCR2 и регистр конфигурации TCCR2

Как узнать данные уже внеслись в таймер или висят в промежуточных ячейках? Да очень просто по флагам в регистре ASSR. Это биты TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB каждый отвечает за свой регистр. Когда мы, например, записываем значение в TCNT2 то TCNUB становится 1, а как только наше число из промежуточного регистра таки перешло в реальный счетный регистр TCNT2 и начало уже тикать, то этот флаг автоматом сбрасывается.

Таким образом, в асинхронном режиме, при записи в регистры TCNT2, OCR2 и TCCR2 сначала нужно проверять флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB и запись проводить только если они равны нулю. Иначе результат может быть непредсказуемым.

Да, еще один важный момент при переключениях между синхронным и асинхронным режимом значение в счетном регистре TCNT может побиться. Так что для надежности переключаемся так:

• Запрещаем прерывания от этого таймера
• Переключаемся в нужный режим (синхронный или асинхронный)
• Заново настраиваем таймер как нам нужно. Т.е. выставляем предустановку TCNT2 если надо, заново настраиваем TCCR2
• Если переключаемся в асинхронный режим, то ждем пока все флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB будут сброшены. Т.е. настройки применились и готовы к работе.
• Сбрасываем флаги прерываний таймера/счетчика. Т.к. при всех этих пертурбациях они могут случайно установиться
• Разрешаем прерывания от этого таймера

Несоблюдение этой последовательности ведет к непредсказуемым и трудно обнаруживаемым глюкам.

Спящие режимы и асинхронный таймер
Т.к. асинхронный таймер часто используется в разных сберегающих режимах, то тут возникает одна особенность, раскладывающая целое поле из граблей.

Суть в том, что таймер, работающий от медленного кварца, не успевает за главным процессором, а в том дофига зависимостей от периферии те же прерывания, например. И когда проц спит, то эти зависимости не могут реализоваться, в результате возникают глюки вроде неработающих прерываний или поврежденных значений в регистрах. Так что логика работы с асинхронным таймером и спящим режимом должна быть построена таким образом, чтобы между пробуждением и сваливаеним в спячку асинхронный таймер успел отработать несколько своих тактов и выполнил все свои дела.

Примеры:
Контроллер использует режим энергосбережения и отключения ядра, а пробуждается по прерываниям от асинхронного таймера. Тут надо учитывать тот факт, что если мы будем изменять значения регистров TCNT2, OCR2 и TCCR2, то уход в спячку нужно делат ТОЛЬКО после того, как флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB упадут. Иначе получится такая лажа асинхронный таймер еще не успел забрать данные из промежуточных регистров (он же медленный, в сотни раз медленней ядра), а ядро уже отрубилось. И ладно бы конфигурация новая не применилась, это ерунда.

Хуже то, что на время модификаций регистров TCNT или OCR блокируется работа блока сравнения, а значит если ядро уснет раньше, то блок сравнения так и не запустится некому его включить будет. И у нас пропадет прерывание по сравнению. Что черевато тем, что событие мы прошляпим и будем их терять до следующего пробуждения из спячки.
А если контроллер будится прерыванием по сравнению? То он уснет окончательно. Опаньки!
Вот и лови такой глюк потом.

Так что перед уходом в режимы энергосбережения надо обязательно дать асинхронному таймеру прожевать введенные значения (если они были введены) и дождаться обнуления флагов.

Еще один прикол с асинхронным режимом и энергосбережением заключается в том, что подсистема прерываний при выходе из спячки стартует за 1 такт медленного генератора. Так что даже если мы ничего не меняли, то обратно в спячку сваливаться нельзя не проснемся, т.к. прерывания не успеют запуститься.

Так что выход из спячки и засыпание по прерыванию асинхронного таймера должно быть в таком виде:

• Проснулись
• Что то сделали нужное
• Заснули

И длительность операции между Проснулись и Заснули НЕ ДОЛЖНА БЫТЬ МЕНЬШЕ чем один тик асинхронного таймера. Иначе анабиоз будет вечным. Можешь delay поставить, а можешь сделать как даташит советует:

• Проснулись
• Что то сделали нужное
• Ради прикола записали что то в любой из буфферизиуемых регистров. Например, в TCNT было 1, а мы еще раз 1 записали. Ничего не изменилось, но произошла запись, поднялся флаг TCN2UB который продержится гарантированно три такта медленного генератора.
• Подождали пока флаг упадет
• Уснули.

Также не рекомендуется при выходе из спячки сразу же читать значения TCNT можно считать лажу. Лучше подождать один тик асинхронного таймера. Или сделать прикол с записью в регистр и ожиданием пока флаг спадет, как было написано выше.

Ну и последний, но важный, момент после подачи питания, или выхода из глубокой спячки, с отключением не только ядра, а вообще всей периферии, пользоваться медленным генератором настоятельно рекомендуется не раньше чем через 1 секунду (не миллисекунду, а целая секунда!). Иначе генератор может еще быть нестабильным и в регистрах будет еще каша и мусор.