单片机程序设计中的定时器和计数器：精准控制时间和事件

# 1. 单片机定时器和计数器的概述**

**1.1 定时器和计数器的概念**

定时器和计数器是单片机中重要的外设，它们可以对时间和事件进行测量和控制。定时器可以产生精确的时钟信号，而计数器可以记录事件发生的次数。

**1.2 定时器和计数器的功能**

定时器和计数器具有多种功能，包括：

* **时间测量和控制：**可以测量时间间隔、生成延时和调度周期性任务。
* **事件计数和处理：**可以计数外部事件的发生次数，并根据计数结果触发中断或执行特定操作。
* **时钟发生器：**可以产生内部或外部时钟信号，为单片机和其他外设提供时基。
* **波形发生器：**可以生成各种波形，如方波、三角波等。

# 2. 定时器编程技巧

### 2.1 定时器中断服务程序

#### 2.1.1 中断处理流程

当定时器溢出或比较匹配时，会产生中断请求。中断服务程序（ISR）将被调用来处理中断。ISR 的典型流程如下：

1. **保存寄存器：**保存 ISR 执行前 CPU 寄存器的值，以备 ISR 执行结束后恢复。
2. **清除中断标志：**清除定时器溢出或比较匹配中断标志，以防止中断重复触发。
3. **执行中断处理：**执行中断处理代码，例如更新变量、设置标志或触发其他事件。
4. **恢复寄存器：**恢复 ISR 执行前保存的寄存器值。
5. **退出 ISR：**执行 `reti` 指令退出 ISR，返回到中断发生前的代码。

#### 2.1.2 中断优先级设置

大多数单片机支持中断优先级设置，允许为不同的中断源分配不同的优先级。当多个中断同时发生时，具有更高优先级的中断将被优先处理。中断优先级通常通过寄存器或配置位进行设置。

### 2.2 定时器模式选择

定时器可以配置为不同的模式，以满足不同的应用需求。常见的定时器模式包括：

#### 2.2.1 捕获模式

捕获模式允许定时器捕获外部事件的发生时间。当外部事件发生时，定时器会将当前计数值存储到一个捕获寄存器中。捕获模式常用于测量脉冲宽度或频率。

#### 2.2.2 比较模式

比较模式允许定时器在达到预设的比较值时产生中断或输出信号。当定时器计数值与比较值匹配时，定时器会触发中断或输出一个脉冲。比较模式常用于生成周期性波形或测量时间间隔。

#### 2.2.3 PWM 模式

PWM（脉冲宽度调制）模式允许定时器生成可变占空比的脉冲波形。通过改变定时器比较值，可以控制脉冲的宽度。PWM 模式常用于控制电机速度、调光或生成音频信号。

**代码示例：**

// 定时器 0 捕获模式配置
TCCR0A |= (1 << WGM01); // 设置为 CTC 模式
TCCR0B |= (1 << CS01); // 设置为分频 8
OCR0A = 255; // 设置比较值

// 定时器 1 比较模式配置
TCCR1A |= (1 << WGM12); // 设置为 CTC 模式
TCCR1B |= (1 << CS11); // 设置为分频 8
OCR1A = 65535; // 设置比较值

// 定时器 2 PWM 模式配置
TCCR2A |= (1 << WGM21) | (1 << WGM20); // 设置为 Fast PWM 模式
TCCR2B |= (1 << CS21); // 设置为分频 8
OCR2A = 255; // 设置比较值

**逻辑分析：**

* **捕获模式：**定时器 0 配置为 CTC 模式，分频为 8。当外部事件发生时，定时器计数值将被捕获到 OCR0A 寄存器中。
* **比较模式：**定时器 1 配置为 CTC 模式，分频为 8。当定时器计数值达到 OCR1A 寄存器中的比较值时，定时器将触发中断。
* **PWM 模式：**定时器 2 配置为 Fast PWM 模式，分频为 8。OCR2A 寄存器中的比较值控制脉冲的宽度。

# 3. 计数器编程技巧

### 3.1 计数器中断服务程序

计数器中断服务程序（ISR）是当计数器达到预设值时执行的代码块。它用于响应计数器事件，例如溢出或比较匹配。

#### 3.1.1 计数器溢出中断

计数器溢出中断发生在计数器达到其最大值并从 0 重新开始时。此中断可用于创建延时函数或周期性任务调度。

#### 3.1.2 计数器比较中断

计数器比较中断发生在计数器值与预设比较值匹配时。此中断可用于测量脉冲宽度或频率。

### 3.2 计数器模式选择

计数器模式决定了计数器如何响应外部事件。有三种主要模式：

#### 3.2.1 上升沿计数模式

此模式下，计数器仅在外部信号上升沿时递增。

#### 3.2.2 下降沿计数模式

此模式下，计数器仅在外部信号下降沿时递增。

#### 3.2.3 双沿计数模式

此模式下，计数器在外部信号的上升沿和下降沿都递增。

### 代码示例

以下代码展示了如何使用计数器溢出中断创建延时函数：

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

// 延时 100ms
void delay_100ms() {
    // 设置计数器为溢出模式
    TCCR1B |= (1 << WGM12);

    // 设置溢出比较值
    OCR1A = 15624;

    // 启用计数器溢出中断
    TIMSK1 |= (1 << TOIE1);

    // 等待溢出中断发生
    while (!(TIFR1 & (1 << TOV1)));

    // 清除溢出标志
    TIFR1 |= (1 << TOV1);
}

int main() {
    // 初始化计数器
    TCCR1B |= (1 << CS10); // 使用内部时钟

    // 调用延时函数
    delay_100ms();

    return 0;
}

### 逻辑分析

此代码使用 AVR 单片机的 16 位定时器 1。它将定时器配置为溢出模式，并在溢出比较值寄存器 (OCR1A) 中设置溢出比较值。当计数器达到溢出比较值时，将触发溢出中断。中断服务程序清除溢出标志，从而允许计数器重新开始计数。

### 参数说明

* `TCCR1B`：定时器 1 控制寄存器 B，用于设置时钟源和计数模式。
* `WGM12`：溢出模式位，设置为 1 以启用溢出模式。
* `OCR1A`：溢出比较值寄存器，用于设置溢出比较值。
* `TIMSK1`：定时器 1 中断屏蔽寄存器，用于启用或禁用中断。
* `TOIE1`：溢出中断使能位，设置为 1 以启用溢出中断。
* `TIFR1`：定时器 1 中断标志寄存器，用于清除中断标志。
* `TOV1`：