5. 아두이노 우노 Atmega328P 타이머로 1초 만들기.

자. 저번 글에서 delay 함수를 통해 LED를 1초 간격으로 Blinking 하는 예제를 만들어보았다.

하지만 그 단점으로 delay 동안 다른 동작을 할 수 없으므로 사용할 때 조심해야 한다 했으며, 타이머라는 것을 통해 똑같이 Blinking 을 구현한다고 하였다.

타이머란 무엇인가?

말 그대로 타이머는 시간을 재는 것이다. 아래 그림을 봐보자. 도망가지 말도록하자. 딥하게 들어가는건 다음이지만 대충 Timer/Counter가 어떻게 해서 시간을 재는지 정도의 플로우만 이해했으면 해서 데이터 시트의 그림을 첨부했다. 

아두이노 우노 보드를 자세히 보면, 아래와 같이 외부 발진기가 존재한다. 당연히 Atmega328P 칩 내에도 내부 발진기가 존재하나 외부 발진기가 안정성과 정확도가 더 높으므로 보통 보드를 사면 외부 발진기가 거의 존재한다.

외부 발진기에서 클럭을 생성하는데 Clock MultiPlexer의 역할은 간단하다. 다양한 외부 발진기들이 있는데 그 중 하나를 골라주는 것이다. 자, Multiplexer(분배기)에서 나온 클럭이 Prescaler(분주기)로 흘러들어간다. 프리스케일러는 무엇일까?

음... 어떻게 설명해야할까? 클럭 주파수를 쪼개어 더 긴 시간 간격을 잴 수 있게끔 하기 위한 장치라고 생각하면 이해를 할 수있을까? 아래 예시를 잠깐 들어보았는데, 이해하기 쉽지 않다. 그냥 클럭 주파수를 쪼갠다는 개념으로만 이해해줘도 크게 문제될건 없다. 구현하다보면서 자연스럽게 이해되기 때문이다.

• 16비트 타이머 예시:
   =65,535 (16비트로 표현할 수 있는 가장 큰 값)
  • 16MHz 클럭 → 4.096μs당 오버플로 → 0.27ms 밖에 측정 불가
  • 분주기 1024 적용 → 16MHz/1024 = 15.625kHz → 4.194초 측정 가능

 프리스케일러에서 출력된 클럭이 Control Unit에 들어가 최종 사용되는 타이머, ADC 등 여러 사용되는 곳이기 때문에 이 클럭 개념은 굉장히 중요하다.

타이머로 1초 만들기

회로는 저번이랑 동일하고 코드를 먼저 보여주겠다.

#define F_CPU 16000000UL  // CPU 클럭 속도
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define LED_RED 2

void Timer1_Init() {
	TCCR1B |= (1 << WGM12);				  /* CTC 모드 설정 (Clear Timer on Compare Match) */
	TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10);  /* 프리스케일러 1024 설정 */
	OCR1A = 15624;						  /* 비교 값 설정 (16MHz / 1024 / 1Hz - 1) */
	TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);			  /* 비교 매치 인터럽트 활성화 */
}

void Task10ms_Init(){
	Timer1_Init();				/* 타이머 초기화 */
	
	DDRD |= (1 << LED_RED);		/* PD2 핀을 출력으로 설정 */
	PORTD &= ~(1 << LED_RED);   /* 초기 LED OFF */
	
}

void Task10ms_Main(){
	PORTD ^= (1 << LED_RED);  /* PD2 핀 토글 (LED ON/OFF) */
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
	Task10ms_Main();
}

int main(void) {
	Task10ms_Init();			
	sei();					/* 전역 인터럽트 활성화 */

	while (1) {
		
	}

	return 0;
}

코드는 Timer1_Init() 함수를 이해하면 오늘 포스팅도 끝이다.

void Timer1_Init() {
    TCCR1B |= (1 << WGM12);    // CTC 모드 활성화
    TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10);  // 분주기 1024
    OCR1A = 15624;             // 비교값 설정
    TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);   // 비교 매치 인터럽트 활성화
}

CTC 모드 : 타이머가 OCR1A 값 도달했을 때  자동 리셋되는 모드

분주기 계산은 아래와 같다. 

분주된 클럭은 15,625인데  OCR1A는 15,624일까?

이유는 간단하다. 컴퓨터는 0부터 시작하기 때문이다. 

아래 데이터 시트에 관련 챕터들을 필요한 부분만 체크하여 넣어놨으니 한 번 읽어보길 바란다. 

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
	Task10ms_Main();
}

타이머가 1초를 지나면 인터럽트가 발생하여 ISR (인터럽트 서비스 루틴)을 발생시킨다. 이제 그 호출되는 함수에 LED 블링킹 로직을 추가하면 된다.

10ms, 100us 등 다양한 타이머를 계산하여 만들 수 있는데, 계산만 잘하면 충분히 구현할 수 있다. 하지만 데이터시트를 보게되면 다양한 모드들이 있는데 CTC 뿐만 아니라 FAST PWM 등 다양한 모드들이 있다. 결국 원리만 이해하여 데이터 시트만 잘 분석하면 누구든 설계를 할 수 있다. 원리는 시간을 잰다 그 이상 그 이하도 아니다.

참고

CTC 모드에 관해 올려두었으니 읽어보길 바란다.