Lee Jaewon

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ATmega128의 Timer/Counter에 대해 알아보고 실제 코드를 살펴보는 포스팅입니다.

Timer/Counter

먼저 ATmega128에는 두 개의 8bit 타이머/카운터와 두 개의 16bit 타이머/카운터가 내장되어있다.

이들은 시간 및 펄스 폭의 계측, 외부 사건을 계수, PWM펄스 발생, 주기적인 인터럽트 발생 등 다양한 용도로 사용된다.

위의 다양한 용도가 있지만 가장 큰 의의는 정확한 시간을 측정하거나 펄스를 정확하게 계수하는 것의 응용이라 볼 수 있다.

타이머/카운터는 내부 clock이나 외부의 clock을 소스로 사용하고, 사용자가 필요한 주기를 설정하여 일정한 주기를 발생시키는 임의의 작업을 할 수 있다.
타이머/카운터는 일반적으로 클럭이 입력되면 그 클럭을 계수(셈)하는 기능을 의미하는데, 입력으로 들어오는 펄스가 어디로부터 오는지에 따라 타이머와 카운터로 나뉜다.

Timer mode

타이머는 MCU 내부에서 발생하는 클럭을 계수하는 장치이다.

MCU의 내부 클럭과 분주기를 이용하여 일정 간격의 펄스를 만들어 원하는 간격 경과 후에 인터럽트를 발생시키는 기능을 의미.

내부 클럭을 이용하기에 빠르며, 분주가 가능하다. -> 동기 모드

Counter mode

카운터는 MCU의 외부에서 입력되는 클럭을 세는 장치이다.

MCU의 외부 핀을 통해 펄스를 입력받고, 이 펄스(event)의 발생 횟수(사건의 발생 횟수)를 셈한다.

외부 클럭을 이용하기에 느리며(이것은 정확히 어떤 기준을 가지고 느리다고 하는지에 대한 부분은 모르겠다.) 외부클럭을 그대로 사용하기에 분주가 불가능하다. -> 비동기 모드

Timer/Counter

이 둘은 결국 목적과 결과는 같다는 이유로 통칭해서 부르기에 같은 것이라 생각하지만 실상은 엄연히 서로 다른 기능을 기술하고 있다.

단순히 클럭만 세는것이 아니라 위에서 언급한 것처럼 시간 혹은 펄스와 관련된 기능 혹은 지연(delay)의 역할을 한다는 것을 상기하자.

  • 또한, 이 포스팅에서도 다른 자료에서나 Datasheet처럼
    Timer/Counter는 내/외부로 클럭을 입력받고 다루는 하나의 개념으로 보고 설명하겠다.

그럼 이제 정확히 어떻게해야 시간도 잴 수 있고, 원하는 주기도 만들어서 다양하게 응용할 수 있는지 살펴보자.


기본 용어

주기와 펄스, 주파수

주기 : 파동에서는 파동이 1회 반복하는데 걸리는 시간, 펄스는 0과 1이 번갈아 한 번 나타나는 시간.

주파수 : 1초 동안 진동하는 횟수, 즉 주기의 역수. $f = {1}/{t}$

Synchronous와 Asynchronous(동기와 비동기)

Synchronous : 동기는 말 그대로 동시에 일어난다는 뜻이다.
그렇다면, MCU에서는 MCU가 작동하고는 clock과 같은 시간에서 일한다는 것이다.
(MCU clock과 동기가 맞는다.)

무슨말인지 한 번 더 정리하면, 동기는 MCU와 제때제때 데이터를 주고 받고 있다는 것이다.

그렇다면,
Asynchronous : 비동기는 동시에 일어나지 않는다는 것이다.
즉, 데이터가 계속 왔다 갔다 하는 것이 아닌, 약속한 상황이나 신호가 입력된다면 그제서야 그 응답을 돌려주는 것이라 이해하면 편할 것 같다.

그러면 동기가 더 좋은 것 아니냐 라고 할 수 있지만, 다른 것들과 마찬가지로 응용과 목적에 따라 필요한 것을 사용하면 된다.

Prescaler(분주기)

-> 클럭 신호의 주기를 변경 혹은 입력 클릭의 속도를 조절.

Prescaler가 필요한 이유는 16MHz(16000000Hz)를 통해 만약 1초를 세고 싶다면 1초동안 16000000번의 클럭을 카운팅해야한다.

이는 불필요한 낭비가 되며, 심지어 8bit나 16bit의 자료형에 들어가지도 않는다.

그래서 prescaler라는 것을 이용한다. prescaler를 통해 1:8이라는 분주비를 설정하면 8번의 주기를 한 번이라고 셈 하는 것이다.
(즉, 시스템 클럭이 8번 들어오면 프리스케일러를 통과한 클럭은 1클럭이 발생됨.)

그러면 16MHz는 2MHz가 된다.

Duty Ratio

-> 신호의 한 주기 내에 High(or ON) 신호가 차지하는 비율

Timer/Counter 용어

bottom : 8비트 혹은 16비트 타이머/카운터가 가질 수 있는 최솟값(0x00 or 0x0000)

max : 8비트 혹은 16비트 타이머/카운터가 가질 수 있는 최대값(0xFF or 0xFFFF)

top : 동작 모드에 따라 타이머/카운터가 도달할 수 있는 최대값으로 max 혹은 OCR 레지스터의 설정값

TCNT : 타이머/카운터 레지스터 값. 클럭에서 입력 신호가 들어올 때마다 이 레지스터 값을 1 증가 혹은 감소 시킨다.

OCR : 출력 비교 레지스터. 계속해서 TCNT와 비교되며 비교의 결과가 일치하게 되면 외부 핀인 OC단자에 신호가 출력되도록 설정할 수 있다.
(‘OCR을 설정할 수 있다’라는 말이지 무조건 OCR을 설정하고 그 값을 지정해야하는 것은 아니다. 이 부분은 뒤에 더 설명하겠다.)

-> 그렇다면, OC에서 신호가 출력되니 타이머/카운터의 동작 모드를 적절히 설정하고 TCNT와 OCR을 적절히 활용하면 PWM을 발생시키거나 가변 주파수 펄스를 만들어 출력할 수 있게 된다.

위의 Waveform Generator, 파형 발생기는 OCn 단자로 출력되는 파형을 결정하는데,
이는 Compare match mode 비트와 파형 발생 모드 비트(WGM21, WGM20)에 의해 결정된다.

Timer/Counter Interrupt

위에서 설명한 TCNT와 OCR의 개념에 덧붙여
Timer/Counter에서 사용되는 두 가지 Interrupt 종류를 살펴보자.

  • Overflow Interrupt : TCNT가 TOP값을 넘으면 Overflow Interrupt 발생.

여기서 8bit와 16bit의 차이도 같이 짚고 넘어가자면, 8bit는 0~255까지 셀 수 있고, 16bit는 0~65535까지 셀 수 있다.
이 때, Top값은 각각 255와 65535가 된다.

16bit에서는 TCNT 레지스터가 계수할 수 있는 범위가 8bit에 비해 확장된다.
이 때, 주기를 더 길게 할 수 있으므로 저주파 신호를 출력할 수도 있다.

  • Compare Match Interrupt : TCNT가 설정한 OCR값과 비교시 같아졌을때, Compare Match Interrupt가 발생한다.

Timer/Counter Mode

비트 수와 타이머/카운터 종류에 따라 모드가 세분화되거나 다르지만,
대략적인 타이머/카운터의 Mode는 다음과 같다.
(데이터시트 97페이지 참고)

  • Normal Mode : Overflow Interrupt 사용
  • CTC(Clear Time on Compare Match) Mode : Compare Match Interrupt 사용
  • Fast PWM Mode : 두 Interrupt 모두 사용.
    높은 주파수의 PWM 파형이 필요할 때 주로 사용

    TCNT와 OCR이 같으면 Compare Match Interrupt 발생과 동시에 OC에서 Low 출력,
    이 후, TCNT는 계속 진행하며 MAX에 도달 시, OC에서 high 출력.

    Fast PWM Mode가 더 빠른 이유는 일반적으로 Compare match나 Overflow가 일어날 때만 파형을 바꾸는 것이 아닌 한 주기내에서 OCR과 MAX 지점에서 두 번 Toggle을 하기 때문이다.
    (fast PWM mode can be twice as high as the phase correct PWM)

부가적으로, phase correct PWM은 OCR과 Compare Match가 일어날 때만 Toggle한다.
phase correct PWM은 Fast PWM보다는 최대 동작 주파수가 작지만, 삼각파를 사용하는 대칭적인 특징 때문에 모터 제어 응용에서 많이 사용된다.

8비트 ‘타이머/카운터’ 의 동작

개요

ATmega128의 8bit 타이머/카운터에는 타이머/카운터0과 타이머/카운터2가 있다.

타이머/카운터2에는 PWM 출력을 가지고 있는 8비트 타이머/카운터로
prescaler(분주)를 통해 내부 클럭을 입력으로 사용하여 동작하는 타이머 기능과
외부 클럭을 입력으로 사용하는 카운터 기능을 수행한다.

타이머/카운터0과 타이머/카운터2의 차이는
타이머/카운터0은 타이머/카운터2에 비해 외부 클럭 소스를 사용하여 계수할 수 있는 RTC(Real Time Clock or Counter)기능과 비동기 레지스터를 가지고 있어 비동기 동작이 가능하다는 차이가 있지만,
전체적인 기능은 동일하다.

특징

  • PWM 및 비동기 동작 Mode를 가지는 8bit Up/Down counter
  • 8bit -> 0~255까지 Count 가능
  • 10bit prescaler
  • Interrupt 사용 가능(위에서 언급한 두 가지)

Block Diagram

Registor Control (Timer/Counter0 기준)

TCCR0

동작모드와 분주비를 결정한다.

  • Bit 6, 3 : WGM00 & WGM01 Waveform Generation Mode

위에서 언급한 Timer/Counter Mode에 관한 설정이다.

  • Bit 5, 4 : COM01 & COM00 Compare Match Output Mode
    Compare Match가 일어났을때(OCR이든 TOP이든), 수행할 동작을 결정한다.
    COM레지스터 설정은 non-PWM, Fast PWM, phase Correct PWM Mode에 따라 설정 양식이 다르다.

    • COM, non-PWM

    non-PWM에서는 OC로 파형을 물리적인 핀으로 출력해낼 필요도 없고,
    그렇기에 굳이 파형을 Toggle하거나 할 필요없이, 인터럽트 걸릴 때마다 코드 내부적으로 flag 변수나 cnt변수 등을 두어서 활용할 수 있다.

    그래서 일반적인 경우 non-PWM에서는 COM01, COM00 : 0, 0으로 설정해준다.
    (물론 다른 용도나 파형을 다루어야 하는 경우는 재량 것 COM 레지스터를 수정하면 되는데 그 정도 수준이 되면 데이터시트에서 잘 찾아서 할 정도라 생각한다.)

    • COM, Fast-PWM

    PWM에서는 물리적으로 OC핀에서 파형을 출력해야하는 경우일텐데,
    위의 Fast-PWM에서 설명한 것처럼 Compare Match시 Low, overflow interrupt 후 Bottom 복귀 시 High라고 설명했었다.
    그러면 이에 맞는 것은 COM01, COM00 : 1, 0이 될 것이다.(해당하는 Description을 읽어보자 별로 길지도 않다.)

    혹여라도 이의 반대 방향의 파형을 원한다면 어떻게 설정해야할까?(문제로 남겨놓겠음. Description을 읽으면 바로 알 수 있을 것이다.)

    • COM, Phase Correct PWM Mode



  • Bit 2, 1, 0 : CS02 & CS01 & CS00

Prescaler의 분주비를 설정해준다.
10bit prescaler답게 1024까지 분주가 가능하다.

$clk_{T0S}$는 위의 다이어그램에서 확인할 수 있으며, 내부 혹은 외부 클럭 소스가 선택된 후 나온 클럭이다.
이 클럭이 Prescaler를 통과하여 원하는 클럭이 출력된다.

TCNT0

위에서 말한 Timer/Counter 8bit 값을 저장하고 있는 TCNT 레지스터이다.

TIMSK

  • Bit 1 : OCIE0 OCIE0가 1로 set되면 Output Compare Match Interrupt Enable로 설정된다.

  • Bit 0 : TOIE0 0번 비트가 1로 set되면 Overflow Interrupt Enable.
    (여기까지 다 읽고 왔고, 데이터시트도 한 번쯤 봤다면 지금 이게 무슨 소리지? 라고 하면 안된다.)

전역 인터럽트 활성화

지금까지 레지스터를 설정한 것들은 실제로는 Initialization과정이다.

실제로 어떠한 코드가 작동하기 전에 전역적으로 인터럽트를 활성화 해줘야한다.

원래는 SREG 레지스터를 설정해줬었는데, AVR 버전이 높아지며 sei();만으로도 전역 인터럽트 활성화를 시켜줘야한다.
(이유를 물어본다면 본인은 코드 시작전에 내가 인터럽트를 사용할 것이니 전체적으로 인터럽트를 사용하겠다 라고 sei를 통해 알려준다고 받아들였다.)

전역 인터럽트 비활성화

는 cli();를 통해 비활성화해준다.
예제에서는 많이 안쓰였지만, 실제로 자신이 무엇을 만들다보면 전역적으로 인터럽트를 비활성화 시켜버려야할 순간도 올 수 있다.

본인은 SCARA를 제작할 때, 어떤 스위치가 눌리면 전역적으로 모두 인터럽트를 해제하고 다른 작업을 해야할 때 사용했다.

8bit 예제 : 원하는 주기마다 LED켜기

원하는 주기 만들기

먼저 OCR은 이용하지 않고, Overflow Interrupt와 TCNT의 초기값 설정만으로 주기를 만들어보자.

\(\frac{1}{T_{desired}}=f_{desired}=\frac{f_{osc}/psc}{(TOP+1)-TCNT_{init}}\)

여기서 $f_{osc}$는 16MHz이고, $psc$는 prescaler이다.
우리는 이 식을 통해 원하는 주기에 맞는 초기 TCNT값을 찾을 것이다.
(Overflow Interrupt를 사용할 것이므로 TCNT의 시작값을 높여서 주기를 맞추겠다는 의미이다.)



예시 : 나는 2ms를 만들어내고 싶다. 그럼 일단 분주비는 몇으로 해야하지?
일단 분주비 8로 한 번 해보자.

\(\frac{1}{0.002}=500=\frac{16000000/8}{(255+1)-TCNT_{init}}\)
로 계산했더니, TCNT = -3744가 나와버렸고 이는 우리가 아는 TCNT 0~255의 범위에 맞지 않는다.

256으로 해보자.

\(\frac{1}{0.002}=500=\frac{16000000/256}{(255+1)-TCNT_{init}}\)
이면, TCNT = 131이 나오게 된다.

즉, TCNT0가 0이 아닌 131부터 시작한다면, 2ms 마다 Overflow Interrupt가 발생한다는 뜻이 된다.

이제 내가 1초를 원한다면, 2ms를 500번 반복하면 된다.

실제 코드 (8bit Timer/Counter0)

2ms주기를 만든 후, cnt == 500일 때마다 (1초) LED 점멸을 뒤집는다.

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

int cnt;

ISR(TIMER0_OVF_vect){
	cnt++;
	TCNT0 = 131;
	
	if(cnt == 500){
		PORTA = ~PORTA;
		cnt = 0;
	}
}

int main(void)
{
	
	DDRA = 0xff;
	PORTA = 0xaa;
	
	TCCR0 = (0<<WGM01)|(0<<WGM00)|(0<<COM01)|(0<<COM00)|(1<<CS02)|(1<<CS01)|(0<<CS00);
	TIMSK = (1<<TOIE0);
	TCNT0 = 131;
	
	sei();
	/* Replace with your application code */
	while (1)
	{
	}
}

16비트 ‘타이머/카운터’ 의 동작

개요

16비트 타이머/카운터도 8bit와 큰 차이가 나는 것은 아니다.

기능의 차이와 더 많은 비트를 한 번에 Bus에 보낼 수 있거나,
앞 서 언급한 것처럼 counting할 수 있는 범위가 더 많아진다.
(Most register and bit references in this section are written in general form)

특징

  • 0~65535까지 counting가능
  • 10bit prescaler
  • 3개의 PWM출력 가능
  • Input Caputure 기능
  • 10개의 Independent Interrupt Sources

Registor Control (Timer/Counter1 기준)

TCCR1A & TCCR1B

TCCR은 동작모드와 분주비를 결정한다. MCU자체는 8bit짜리 MCU이기 때문에 위 8bit예제에서 본 것처럼 TCCR을 설정하지만 더 많은 bit를 다루어야하기 때문에, A, B, C로 나뉜다.

  • Bit 7:6 – COMnA1:0: Compare Output Mode for Channel A
  • Bit 5:4 – COMnB1:0: Compare Output Mode for Channel B
  • Bit 3:2 – COMnC1:0: Compare Output Mode for Channel C

원하는 출력 포트(OCn)에 따라 Bit를 설정해주면 된다.

COM 레지스터는 위에서 설명했지만, Compare Match가 일어났을때(OCR이든 TOP이든), 수행할 동작을 결정한다.
COM레지스터 설정은 non-PWM, Fast PWM, phase Correct PWM Mode에 따라 설정 양식이 다르다.

그리고 WGM과 분주비(cs레지스터)는 TCCR1A와 TCCR1B로 나눠져있다.
어떻게 설정해줘야할지 보자.

  • Bit 1:0 – WGMn1:0: Waveform Generation Mode

  • Bit 4:3 – WGMn3:2: Waveform Generation Mode WGM을 설정해주고 싶은데 타이머/카운터1 에서 위와 같이 WGM이 2개씩 나눠져 있다.

하지만 어렵지 않다, 원하는 모드를 찾아서 그저 Table을 보고 설정해주면 된다.
(지금까지 계속해왔던 과정)

TCCR1B를 보니 CS도 보인다. 분주비 설정도 해줄 수 있다.

  • Bit 2:0 – CSn2:0: Clock Select

TCNT1

16bit 범위로 값을 증가하거나 감소시키기에 다음과 같이 H/L로 구성되어있다.

OCR1

OCR1에는 A,B,C로 나눠져있는데 이는 원하는 OCn에 따라 설정해주면 된다.
(16bit에서 OC핀을 통해 3개의 파형을 출력할 수 있다고 위에서 설명했다.)

만약, OC1A에서 출력하고 싶다면 OCR1A를 설정해주면 된다.

Compare Match Interrupt를 위해 사용된다.

ICR1

Input Capture Register이다.

Input Capture는 ICPn핀에 event가 발생하면, ICR레지스터 값을 TCNT값으로 갱신한다.

또한, Input Capture는 counter의 TOP value를 지정하는데도 사용할 수 있다.
(실질적으로 TOP값 지정하는데 이 기능을 사용할 것이다.)

TIMSK

Timer/Counter Interrupt Mask Register
Timer/Counter1 의 Interrupt를 Enable하는 Register

  • Bit 4 – OCIE1A: Timer/Counter1, Output Compare A Match Interrupt Enable
  • Bit 3 – OCIE1B: Timer/Counter1, Output Compare B Match Interrupt Enable
  • Bit 2 – TOIE1: Timer/Counter1, Overflow Interrupt Enable

ETIMSK

ETIMSK는 TIMSK의 Extended 레지스터이다. OCIE1C와 Timer/Counter3 Interrupt Enable에 관한 설정을 하게 된다.

16bit 예제 : Duty Ratio 80%인 PWM만들기

\(\frac{1}{T_{desired}}=f_{desired}=\frac{f_{osc}/psc}{(TOP+1)-TCNT_{init}}\)

이 식에서 $TCNT_{init}$는 0이고 $TOP$는 $ICR$로 설정하고 분주는 1로 할 것이다.

Mode는 Fast-PWM을 할 것이니까, OCR에서 Compare Match Interrupt, TOP(ICR)에서 Overflow Interrupt가 발생한다.

모터 출력을 할 것인데, Motor 주파수는 20KHz로 설정할 것이다.

\(20000=\frac{16000000/1}{(ICR + 1)-0}\)

$ICR = 799$가 나옴을 확인하였고, Duty Ratio 80%가 되려면 OCR이 ICR의 80%가 되야한다.
이제 실제 코드를 살펴보자.

#include <avr/io.h>

int main(void)
{
	DDRB = 0xFF;
	DDRE = 0x0F;
	
	PORTE = 0b00001010;
	
	TCCR1A = (1<<COM1A1)|(0<<COM1A0)|(1<<COM1B1)|(0<<COM1B0)|(1<<WGM11)|(0<<WGM10);

	TCCR1B = (1<<WGM13)|(1<<WGM12)|(0<<CS12)|(0<<CS11)|(1<<CS10);
	
	ICR1 = 799;
	OCR1A = 639;
	OCR1B = 639;
	
    /* Replace with your application code */
    while (1) 
    {
    }
}



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