AVR定时器工作原理

定时器是独立运行的，它不占用CPU的时间，不需要指令，只有调用对应的寄存器的时候才需要参与。
以AVR mega16为例，它有三个寄存器，timer0，timer1和timer2，T0和T2是8位定时器，T1是16位寄存器，T2为异步定时器，三个定时器都可以用于产生PWM。
以定时器T0来简单介绍定时器的操作方法，T0有三个寄存器可以被CPU访问，TCCR0，TCNT0，OCR0，下面看一段ICC生成的定时器初始化程序。
CODE:
//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}
[Copy to clipboard][/url]
TCCR0为控制寄存器，用于控制定时器的工作模式细节；
TCNT0为T/C 寄存器，它的值在定时器的每个工作周期里加一或减一，实现定时操作，CPU可以随时读写TCNT0；
OCR0：输出比较寄存器，它包含一个8 位的数据，不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断，或者用来在OC0 引脚上产生波形。
这里说最简单的模式，TCNT一直加一，到达最大值0xFF然后清零，进入下一次计数，在上面的程序中。
TCCR0＝0x00;关闭T0的时钟源，定时器停止工作。
TCNT0＝0x83;设置T/C寄存器的初始值，及让定时器从TCNT0从0x83开始定时或计数。
OCR0 = 0x7D;设定比较匹配寄存器的值，这个程序里没有使用。
TCCR0 = 0x02;选择时钟源，来自时钟8分频，设置后定时器就开始工作。
初始化后定时器开始工作，TCNT0在每一个定时器时钟加一，当TCNT0等于OCR0的值时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的OCF0 置位，如果这时候TIMSK中OCIE0为1（即允许T0比较匹配中断），并且全局中断允许，比较匹配中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。
TCNT0继续加一，当达到0xFF时，T/C 中断标志寄存器－ TIFR中的TOV0置位，如果这时候TIMSK中TOIE0为1（即允许T0溢出中断），并且全局中断允许，溢出中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作，对定时器进行调整。
和定时器相关的寄存器还有SREG和TIMSK，前者位1控制全局中段允许，后者位1（OCIE0）和位0（TOIE0）分别控制比较匹配中断和溢出比较匹配中断允许。
实际的过程中，定时器相关寄存器的操作非常灵活，可以在溢出中断中修改TCNT0的值，也可以在中断中修改OCR0的值，后面的实验中会讲到用定时器1修改OCR1A的方法实现1S精确定时。
师傅领进门，修行靠个人，定时器的基本原理说到这里，要更深入的了解定时器，请看数据手册。
定时公式：Time=PRE*(MAX-TCNT0+1) /F_cpu单位S ，其中，PRE为与分频数，本例中为8，MAX即为最大值255，TCNT0为初始化时的值，本例中为0x83（十进制的131），T_cpu，系统时钟频率，本例中为1000000。
本例程序中定时时间为：Time=8*(255-131+1)/1000000=0.001 S ，即为1ms，1Khz。可以看出，如果晶振选为8M，则定时时间变为0.000125S，也就是说晶振越大，定时时间越短，预分频越大，定时越长。
在设置时如果你选择1ms，会得到如下结果，和上面的1Khz相同。
CODE:
//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1mSec
// actual value: 1.000mSec (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

//ICC-AVR application builder : 2007-6-9 0:33:58
// Target : M16
// Crystal: 1.0000Mhz
// 用途：演示定时器的工作原理
// 作者：古欣
// AVR与虚拟仪器
#include
#include

void port_init(void)
{
PORTA = 0x00;
DDRA = 0x03; //PA0 PA1 输出
PORTB = 0x00;
DDRB = 0xFF; //PB 输出
PORTC = 0x00; //m103 output only
DDRC = 0x00;
PORTD = 0x00;
DDRD = 0x00;
}

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

//比较匹配中断
#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20
void timer0_comp_isr(void)
{
//compare occured TCNT0=OCR0
if(OCR0==0x7D) //调整0x7D
{
OCR0=0x7F;
}
else
{
OCR0=0x7D;
}
PORTA ^= 0x01; //PA0取反
}

//溢出中断中断
#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10
void timer0_ovf_isr(void)
{
TCNT0 = 0x83; //reload counter value
PORTA ^= 0x01; //PA0取反
}

//call this routine to initialize all peripherals
void init_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI(); //disable all interrupts
port_init();
timer0_init();

MCUCR = 0x00;
GICR = 0x00;
TIMSK = 0x03; //timer interrupt sources 允许定时器零匹配和溢出中断
SEI(); //re-enable interrupts
//all peripherals are now initialized
}

void main(void)
{
init_devices();
PORTA=0x00;
while(1)
{
PORTB = TCNT0; //任何时候都可以读TCNT0
}
}

 

 

在门禁软件中：

void timer0_init(void)
{
 TCCR0 = 0x00; //stop      P94  T/C控制寄存器
 ASSR  = 0x00; //set async mode    异步状态寄存器
 TCNT0 = 0xD9; //set count      T/C寄存器(0b11011001)
 OCR0  = 0x27; //中断时TCNT0的值,输出比较中断     输出比较寄存器(0b00100111)
 TCCR0 = 0x07; //start timer   1024分频,来自预分频  P94
}

 

故   中断定时时间为T=预分频*（MAX—TCNT0+1）/F_CPU

 

即 分频    1024

    MAX     0XFF

    TCNT0   0XD9

    F_CPU   8M=800000

 

故T=1024*（255-233+1）/800000=3ms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mega16的定时器有外部时钟源接口，用于外部计数。

Timer0对应T0（PB0），Timer1对应T1（PB1），可以允许上升沿触发和下降延触发，通过TCCRn设定。

外部计数的原理，定时器选择外部时钟，初始化之后，TCNT0在每次检测到信号变化的时候加一，知道与TCCR0相同的时候，产生比较匹配中断。

本例子程序中，用按键来产生外部的信号的变化，下降延计数。

在实际的应用中，可以用来检测外部电路产生的高低电平数量，需要注意，在电路设计时，需要考虑加入电容防抖，（在本范例程序中，有时候按下键再抬起，会产生2个计数）。

 

 

CODE:

// ICC-AVR application builder : 2007-5-29 15:21:23
// Target : M16
// Crystal: 7.3728Mhz
// 用途：演示定时器的计数功能
// 作者：古欣 AVR 与虚拟仪器 [url][/url]
// 连接：接好电源和晶振的跳线
//     7断数码管的ABCD接VCC，a~dp接PA0～PA7
//     PB0接一个独立按键

#include
#include

const unsigned char seg7_data[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00};//0~F and "shut"


void port_init(void)
{
PORTA = 0xFF;
DDRA = 0xFF;
PORTB = 0x01; //PB0，是TIMER0的外部时钟输入脚（T0），需要设为输入，并且使能内部上拉
DDRB = 0x00;
PORTC = 0x00; //m103 output only
DDRC = 0x00;
PORTD = 0x00;
DDRD = 0x00;
}

//TIMER0 initialize - prescale:Falling edge
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: Out of range
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x00; //set count
OCR0 = 0x0A; //set compare十进制的十，十次按键后匹配，进入这里
TCCR0 = 0x06; //start timer 时钟由T0 引脚输入，下降沿触发
}

#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20
void timer0_comp_isr(void)
{
//compare occured TCNT0=OCR0
//按下键OCR0次后，会进入本中断
TCNT0 = 0x00;
}

//call this routine to initialize all peripherals
void init_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI(); //disable all interrupts
port_init();
timer0_init();

MCUCR = 0x00;
GICR = 0x00;
TIMSK = 0x02; //timer interrupt sources 允许定时器0，比较中断
SEI(); //re-enable interrupts
//all peripherals are now initialized
}

void main(void)
{
init_devices();
while(1)
{
PORTA = seg7_data[TCNT0]; //一直显示TCNT0的值
}
}

[Copy to clipboard]

实验效果：启动时，数码管显示0，按下按键，数码管上的值加1，从0到A显示，A之后回到0。
偶尔有按一次键，数码管变两次的现象，这是由于键盘抖动着造成的，不用在意，实际应用中在外部电路加滤波电容解决这个问题。

 

 

一点说明： 使用ICC生成的代码如下，TCNT0 和OCR0 都是不可预料的值，需要自己进行修改，这个不是ICC的bug，因为外部的时钟变化不可预料，程序无法计算初值和比较匹配的值。

CODE:

//TIMER0 initialize - prescale:Rising edge
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: Out of range
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x00 /*INVALID SETTING*/; //set count
OCR0 = 0x00 /*INVALID SETTING*/; //set compare
TCCR0 = 0x06; //start timer
}

[Copy to clipboard]

感谢用户北京的用户 uniquejiao 提出这个问题。