Arduinoのタイマー処理-居酒屋ガレージ日記

Arduinoのタイマー処理

Arduinoの内部で勝手に実行されているタイマー割り込み、
（タイマー0のオーバーフローが使われている）
その実行時間を調べておきました。

いわゆるシステム割り込みで、ユーザープログラムが走り
始める時、その裏でこれが勝手に走り始めます。
これが、millis()関数などのタイマーを管理しています。

メイン側で、タイミングにクリチカルな処理を行う時は、
この割り込みが裏で動いていることを自覚しておかなくて
はなりません。

これがいやなら、処理の前に割り込み禁止命令を入れてお
きます。
ただし、1ミリ秒以内に割り込みを有効に戻しておかないと
タイマーが遅れます。

●確認方法1

「loop」内で出力ポートにパルスを出し、そのパルスの
変動をオシロスコープで観察します。
スケッチはこんな具合。
void setup() {
　　pinMode(8, OUTPUT);
}
void loop() {
　digitalWrite(8, HIGH);　　// pin8にH/Lパルス
　digitalWrite(8, LOW);
}
これの観察結果（クリックで拡大↓）

割り込み処理が入ると、パルス出力の間隔が変わり
ます。

●確認方法2

digitalWriteを使うと、パルス幅が長くなるので、
「SBI　CBI」命令を使います。
#include　"wiring_private.h"　　　// sbi,cbi命令用
#define　D8_H　　(sbi(PORTB,PORTB0))　// digital pin8
#define　D8_L　　(cbi(PORTB,PORTB0))
void setup() {
　　pinMode(8, OUTPUT);
}
void loop() {
　　while(1){　　// 永久実行で
　　　D8_H;　　　// pin8にH/Lパルス
　　　D8_L;
　　}
}
すると、こうなります。（クリックで拡大↓）

むちゃ出力パルスが早くなりました。
この処理時間（6.5マイクロ秒ほど）が約1msに1回、
入るのです。

●割り込み周期を見る

約1msに1回と記しましたが、割り込み周期は正確な1msでは
ありません。
　　（タイマー0のオーバーフローということで、ハードでは
　　　　微調整できないのです）
それを確認してみます。

こんなスケッチです。
#include　"wiring_private.h"　　　// sbi,cbi命令用
#define　D8_H　　(sbi(PORTB,PORTB0))　// digital pin8
#define　D8_L　　(cbi(PORTB,PORTB0))
#define　D9_H　　(sbi(PORTB,PORTB1))　// digital pin9
#define　D9_L　　(cbi(PORTB,PORTB1))
unsigned long tm1;　　 // ミリ秒タイマー
void setup() {
　　pinMode(8, OUTPUT);　 // pin8はサイクル実行
　　pinMode(9, OUTPUT);　 // pin9は1ms経過で
}
void loop() {
　　while(1){
　　　D8_H;　　　　　 // pin 8 H,Lパルス出力
　　　D8_L;
　　　ｉf(tm1 != millis()){　 // タイマー変化あり
　　　　D9_H;　　　　　　　　// pin 9 H,Lパルス出力
　　　　D9_L;
　　　　tm1 = millis();
　　　}
　　}
}
こんな波形が出てきます。

まずこれ。　1msの変化検出したところ。
（クリックで拡大↓）

このpin9パルスの周期をオシロで読むと1msを超えて
いることがわかります。
（クリックで拡大↓）

タイマー値の変化を検出して出しているパルスが1ms
ちょいの間隔で見えています。

正確には、システムクロック周波数16MHzの1/64の1/256で
「1.024ms」。
　　（タイマー割り込み内では端数をうまく処理して
　　　millis関数での誤差が出ないようにしています）

※追記
せっかくなんで、このタイマー割り込み処理の機械語命令
を拾っておきました。（avr-objdumpを使ってで出てくる）
まずこれがwiring.c内のCで記述されたタイマー割り込み
プログラム。

volatile unsigned long timer0_overflow_count = 0;
volatile unsigned long timer0_millis = 0;
static unsigned char timer0_fract = 0;
#if defined(__AVR_ATtiny24__) ||
　　defined(__AVR_ATtiny44__) ||
　　defined(__AVR_ATtiny84__)
ISR(TIM0_OVF_vect)
#else
ISR(TIMER0_OVF_vect)
#endif
{
unsigned long m = timer0_millis;
unsigned char f = timer0_fract;
　　m += MILLIS_INC;
　　f += FRACT_INC;
　　if (f >= FRACT_MAX) {
　　　　f -= FRACT_MAX;
　　　　m += 1;
　　}
　　timer0_fract = f;
　　timer0_millis = m;
　　timer0_overflow_count++;
}

コンパイルされて出てきた機械語がこれ。
00000174 <__vector_16>:
174:　 1f 92　　　　　 push　　r1
176:　 0f 92　　　　　 push　　r0
178:　 0f b6　　　　　 in　r0, 0x3f　　; 63
17a:　 0f 92　　　　　 push　　r0
17c:　 11 24　　　　　 eor r1, r1
17e:　 2f 93　　　　　 push　　r18
180:　 3f 93　　　　　 push　　r19
182:　 8f 93　　　　　 push　　r24
184:　 9f 93　　　　　 push　　r25
186:　 af 93　　　　　 push　　r26
188:　 bf 93　　　　　 push　　r27
18a:　 80 91 01 01　　 lds r24, 0x0101
18e:　 90 91 02 01　　 lds r25, 0x0102
192:　 a0 91 03 01　　 lds r26, 0x0103
196:　 b0 91 04 01　　 lds r27, 0x0104
19a:　 30 91 00 01　　 lds r19, 0x0100
19e:　 23 e0　　　　　 ldi r18, 0x03　 ; 3
1a0:　 23 0f　　　　　 add r18, r19
1a2:　 2d 37　　　　　 cpi r18, 0x7D　 ; 125
1a4:　 20 f4　　　　　 brcc　　.+8　　　　 ; 0x1ae
1a6:　 01 96　　　　　 adiw　　r24, 0x01　 ; 1
1a8:　 a1 1d　　　　　 adc r26, r1
1aa:　 b1 1d　　　　　 adc r27, r1
1ac:　 05 c0　　　　　 rjmp　　.+10　　　　; 0x1b8
1ae:　 26 e8　　　　　 ldi r18, 0x86　 ; 134
1b0:　 23 0f　　　　　 add r18, r19
1b2:　 02 96　　　　　 adiw　　r24, 0x02　 ; 2
1b4:　 a1 1d　　　　　 adc r26, r1
1b6:　 b1 1d　　　　　 adc r27, r1
1b8:　 20 93 00 01　　 sts 0x0100, r18
1bc:　 80 93 01 01　　 sts 0x0101, r24
1c0:　 90 93 02 01　　 sts 0x0102, r25
1c4:　 a0 93 03 01　　 sts 0x0103, r26
1c8:　 b0 93 04 01　　 sts 0x0104, r27
1cc:　 80 91 05 01　　 lds r24, 0x0105
1d0:　 90 91 06 01　　 lds r25, 0x0106
1d4:　 a0 91 07 01　　 lds r26, 0x0107
1d8:　 b0 91 08 01　　 lds r27, 0x0108
1dc:　 01 96　　　　　 adiw　　r24, 0x01　 ; 1
1de:　 a1 1d　　　　　 adc r26, r1
1e0:　 b1 1d　　　　　 adc r27, r1
1e2:　 80 93 05 01　　 sts 0x0105, r24
1e6:　 90 93 06 01　　 sts 0x0106, r25
1ea:　 a0 93 07 01　　 sts 0x0107, r26
1ee:　 b0 93 08 01　　 sts 0x0108, r27
1f2:　 bf 91　　　　　 pop r27
1f4:　 af 91　　　　　 pop r26
1f6:　 9f 91　　　　　 pop r25
1f8:　 8f 91　　　　　 pop r24
1fa:　 3f 91　　　　　 pop r19
1fc:　 2f 91　　　　　 pop r18
1fe:　 0f 90　　　　　 pop r0
200:　 0f be　　　　　 out 0x3f, r0　　; 63
202:　 0f 90　　　　　 pop r0
204:　 1f 90　　　　　 pop r1
206:　 18 95　　　　　 reti

「unsigned long」の加算や比較処理の実態が見えています。

※関連
・ラジオペンチ ArduinoのMStimer2の精度の改善
・Arduinoでの時間管理：放課後マイコンクラブ
・Arduinoの入力速度を調べた