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タイマー割り込みライブラリ

＜補足情報＞

現在、MsTimer2ライブラリの作者に、割り込み間隔の正確さについて確認を依頼中です。

現状のオーバーフロー割り込みではなくCTCモードで駆動して割り込みを発生させることにより割り込み間隔＝１ミリ秒を保証できるものと考え、公開中のライブラリを元に私が修正を入れたものを作者宛にメールし、確認をお願い中です。

そのライブラリソースを貼っておきます（右クリックでダウンロードしてください）。

なお、一応動作確認は行いましたが、この内容は無保証です。ご利用の場合はソースコードによく目を通して頂いた上で、at your own riskでお使いください。

＜補足情報：ここまで＞

arduinoの開発環境では、タイマー割り込みがContributed Librariesとして公開されています（バージョン００１１公開時点）。

以下に、タイマー割り込みの概要と、arduinoでのタイマー割り込み使用方法、サンプルスケッチを纏めます。

タイマー割り込みとは

何かプログラム（スケッチ）を作っている時に、処理と処理の間に間隔を空けて処理させたいなぁということが時々あると思います。なにしろ、arduinoの頭脳は１秒間に１６００００００回も命令を処理するので、例えばその速度でＬＥＤを点けたり消したりしても人間の目には点灯したままにしか見えないからです。

点けてから少し時間を置いて、消してからまた時間を置いて…という具合にすると人間の目には点滅して見えるようになります。このように、処理と処理の間に少し間隔を空けたいという場合、遅延処理とかタイマー割り込みというものが利用されます。

タイマー割り込みとは、（細かい仕組みなどは後述しますが）大雑把に機能を要約すると「一定の時間間隔で特定の関数（処理）を呼び出す」仕組みです。例えば、１／１００秒毎とか１秒毎など定期的にある特定の処理を行いたい場合などに使用します。

これとよく対比されるのは遅延処理とか時間稼ぎ処理とか言われる処理です。arduinoでは”標準機能”の中にこの遅延処理が組み込まれています。delay()関数やdelayMicroseconds()関数などがそれにあたります。

これら遅延処理の関数をループ処理の中に挟み込んでおけば、一定の間隔を空けて処理を繰り返すことが出来ます。その点ではタイマー割り込みと似ているのですが、動作タイミングの正確さという意味では少し違ってきます。以下の図にその違いを記します。

遅延処理の場合

まずは遅延処理を利用した場合の処理フローです。

この図では、「処理Ａ」と「遅延処理」をグルグルと繰り返すという処理内容になっています。遅延処理の間、arduinoはこの１秒間「何もしないということ」をしています（くまのプーさんと一緒です）。一般的にこの遅延機能は処理と処理の間に最低でも１秒間以上空ける必要があるときに用いられます。

タイマー割り込みの場合

次にタイマー割り込みを利用した場合の処理フローです。

この図では、「メイン処理」をぐるぐる回し続けながら、１秒毎にメイン処理を一旦中断して「処理Ａ」に制御を移し、処理Ａが片付いたら中断したところからまた処理を再開するという流れになっています。

正確に１秒毎に処理Ａが実行されるので、「正確な時間間隔」で処理するのに適しています。ちなみに、１秒毎に処理が呼び出されるので、当然ながら処理Ａに要する処理時間は割り込み間隔（この図なら１秒）以内に収まってないといけません。

（処理Ａを行ってない間はメイン処理を行っているので、その点ではくまのプーさんとは異なりますね）

遅延処理とタイマー割り込みのまとめ

このような違いを考慮し、処理と処理の間に一定時間以上の間隔を空けたいのか、それとも正確な時間間隔で定期的に処理を行いたいのかによってどちらを利用すればよいかを判断すればよいかと思います。大抵は遅延処理で用が足りると思われます。簡単ですし。

タイマー割り込みを用いる最も典型的な応用例は「時計」でしょう。１秒毎に割り込みが発生するように設定しておいて、割り込みが発生する毎に秒針を１秒進めるといった具合です。ちなみにその場合、メイン処理側では時刻をＬＣＤに表示したり、モーターで秒針を進めたり、アラーム設定時刻の判定をしていたり…というような時間がかかる処理を行うようにしています。

なお、割り込み間隔の精度ですが、これはarduinoボード上に使用するクリスタルの精度がそのまま現れます。互換ボードなどでセラロックを使っていたとすれば、精度は少し低くなってしまうので、時計のような用途には向かないでしょう。超高精度オシレータを登載しているarduinoも見たこと無いですが…

タイマー割り込みライブラリMsTimer2

arduinoのタイマー割り込みライブラリは「MsTimer2」という名前で公開されています。まずはライブラリを arduino－ＩＤＥに組み込んでください。（タイマー割り込みに関しては、目下のところこれ以外のライブラリは公開されていないようです）

公式ページのここでダウンロードできます。

仕組み

MsTimer2のタイマー割り込みは、ＡＶＲ　ＡＴ－ＭＥＧＡ１６８チップに内蔵されている３つのタイマー機能のうち、タイマー２というモノを利用して提供されます。

難しく言うと、ＡＴ－ＭＥＧＡ１６８のタイマー２は、ＣＰＵのクロックか入力ピンからのクロック入力（を適当に分周したクロック）を自動的にカウントし、指定されたカウント値に達したらハードウェア割り込みを発生させるという機能を持っています。

でもそういったＩＣ内部のそういう細かい制御を自分で行うのは面倒だということで、ライブラリがオブラートに包んで苦い薬も飲みやすくしてくれています。

MsTimer2を利用すると、１／１０００秒単位で割り込み間隔を指定することが出来、その指定した時間が経過する毎に任意のユーザー関数を呼び出してくれるようになっています。例えば、５０ミリ秒と指定しておけば、５０ミリ秒毎に正確に任意の関数を呼び出してくれます。

なお、タイマー２といえばデジタル３番ピンやデジタル１１番ピンでのアナログ出力（＝ＰＷＭ出力）でも用いられるタイマーですので、これらと同時に使うことは出来ません。

（もしかしたら使えるかもしれませんが、その場合どういう動作になるかはライブラリのソースプログラムを読み解かないとよく解りません。既存機能との相性問題というところなどがContributed Librariesということなのかもしれません。）

使い方

MsTimer2の機能には、「割り込み間隔をミリ秒単位で指定する機能」、「割り込み発生時に呼び出す先の関数を指定する機能」、「タイマーをスタートさせる機能」、「タイマーを停止させる機能」があります。

割り込み間隔と割り込み先を指定するのは以下の書式で行います。

MsTimer2::set(ミリ秒, 関数名)

ミリ秒に指定出来る範囲は、1ミリ秒～4294967295ミリ秒までです。最長約50日間隔で割り込みを発生することが出来ます（笑）。ちなみに、ミリ秒指定は内部ではunsigned long型で定義されています。定数で長ーーーーい時間間隔を指定する場合、定数値の後ろに適宜ULをつけないとコンパイル時にエラーが出るはずです。まぁ、そんなに長い間隔で使うタイマー割り込みって、用途を思いつきませんが…。

カウントの開始と中断はそれぞれ

MsTimer2::start()
MsTimer2::stop()

にて行います。startでカウント開始、stopでカウント中断です。両関数とも引数は要りません。一度setup()関数内でスタートしたら、あとはカウントしっぱなしという使い方が多いと思います。

サンプルスケッチ

以下に、MsTimer2を使ったサンプルスケッチを記します。といっても、ライブラリのダウンロードしたｚｉｐファイルに入っていたサンプルスケッチを殆どそのままです。（#include文のところの不等号がブラウザ上で上手く表示されないので全角不等号に置換してあります。半角に戻して使用してください）

#include ＜MsTimer2.h＞
void flash() {
  static boolean output = HIGH;
  digitalWrite(3, output);
  output = !output;
}
void setup() {
  pinMode(3, OUTPUT);
  MsTimer2::set(500, flash);
  MsTimer2::start();
}
void loop() {
}

０.５秒毎にＬＥＤを点けたり消したりするスケッチです。簡単に解説します。

まずloop()関数ですが、ご覧の通り何もしてませんね。空回しという状態です。先ほどの図では「メイン処理」がこのloop()関数に相当しています。普通はこのloop()関数内で主だった処理を行いながら、時々割り込みが入るという使い方をします。

次にsetuo()関数ですが、デジタル３番ピン（※）を出力に設定し、MsTimer2::set(500, flash);　で５００ミリ秒（＝０.５秒）毎にflash()関数を呼び出すように設定しています。その次のMsTimer2::start();　でタイマーがカウントを始めます。（※：私のreduino-nanoはＬＥＤが３番ピンなので…普通のarduinoであれば１３番に設定してください）

そして、flash()関数です。outputという変数を定義していますが、static属性なので実行時の最初に１回だけHIGHで初期化され、その後は割り込みの都度output = !output;　でHIGHとLOWを繰り返します。それをデジタル出力ピンに出力しています。

何もしていないloop()関数をグルグルと処理中に０.５秒が経過すると、一旦loop()関数の処理を中断してflash()関数を頭から処理します。flash()関数の処理が終ったら、loop()関数の中断していた場所に戻って、処理を再開します。

最後にスケッチ先頭の#include文。MsTimer2.hを取り込むことでタイマー割り込み機能が使えるようになります。

結果、ＬＥＤが０.５秒毎に点いたり消えたりという動作になります。

試しに、タイマー割り込みではなく遅延処理を使ったＬＥＤ点灯のスケッチも見てみましょう。公式サイトのチュートリアルページにこういうスケッチがあります。（少し端折ってます）

int ledPin = 13;
void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(1000);
}

続に言うＬＥＤピコピコというヤツです。１秒毎に点けて、消して、を繰り返します。delay()関数で1秒の待ち時間を作り出しています。

ぜひこれを実行して、先ほどのタイマー割り込みのスケッチと比べてみてください。タイマー割り込みの方はずっと動かしっぱなしにしておいてもＬＥＤ点滅のと時計の秒針がシンクロし続けるのに対し、遅延処理を使ったＬＥＤピコピコは、時計の秒針よりもarduinoの点滅の方が少しずつ遅れていくはずです。1秒＋αの時間がかかっているからです。

タイマー割り込みライブラリでの注意点

メイン処理側と割り込み処理関数の間で”変数を共用”する場合には注意が必要になります。

例えば、「時計を作ろう」というケースを想定してみてください。割り込みが発生するごとに、割り込み関数の中では秒針を１進めておき、メイン処理側ではその秒数を読み出してＬＣＤなどに表示しようということになるかと思います。

つまり、割り込み処理内で秒数をカウントアップしつつ、メイン処理側で秒数を参照するという形になります。両方の処理で変数を共用することになります。

こういう場合、メイン側と割り込み関数側で共用する変数は、「volatile」属性というものを付けて宣言する必要があります。volatile属性についてはarduinoの範疇というよりｇｃｃの範疇になっちゃうので端折りますが、変数の定義個所で、例えば以下のように宣言してください。一つの呪文やおまじないだと思って頂いていいです。

volatile int Second;

ご興味のある方は、公式ページ（英文）のこちらをご覧ください。

補足：ライブラリの内部処理

最後に、ちょっとマニアック領域に入ってみます。

本当に１ミリ秒は正確に１ミリ秒なのか？　端数はないのか？　その１ミリ秒が如何にして正確に実現されているのかが気になってしまい、ライブラリソースの中身を少し眺めてみました。その内容を備忘録的にまとめておきたいと思います。

まず前提条件。ＡＴ－ＭＥＧＡ１６８のタイマー２は８ビット幅（０～２５５）のカウンターを持ったタイマーです。一方、 arduinoに組み込まれているクリスタルは１６ＭＨｚです。

さて、arduinoの頭脳であるＡＴ－ＭＥＧＡ１６８のタイマーにはＣＴＣ（クリアタイマ・オン・コンペアマッチ）というモードがあります。カウンターが指定の値になったら自動的にカウンタを０に戻してまた数えなおすという機能です（この時割り込みも発生する）。カウンタの値が８ビット幅の中で任意の値になったらまた０からカウントしなおすということが自動で行えます。この比較する数の大きさを調節することで、割り込み間隔を長くしたり短くしたり任意に調整することが出来るわけです。

また、タイマーに入力するクロックは直接ＣＰＵのカウンターを使うだけでなく、「プリスケーラ」という一種のカウンタ回路を通すことによってＣＰＵクロックの周波数より１／８、１／６４、１／２５６、１／１０２４のいずれかに速度を落としてから使うことも出来ます（少ないビット幅のカウンタでも長い間隔の割り込みが実現できるような工夫です）。ＭＥＧＡ１６８版のarduinoでは１／６４にセットさるようにライブラリ内で組まれています。そして、ＣＴＣで適用されるカウンタの上限値は２５０（ギリギリ８ビット幅以内！）に設定されています。

ＣＰＵクロックが１６００００００Ｈｚですから、タイマー２は１／６４のプリスケーラを通して２５００００Ｈｚ毎にカウントされます。そして２５０カウントでカウンタクリア、及び割り込みが生じるので、丁度１０００Ｈｚ（１／１０００秒）毎に割り込みが生じることになります。これはクリスタルの精度１クロック単位で正確に発生します。

ライブラリの内部では、この１／１０００秒毎の割り込み毎にミリ秒カウンタを１つカウントアップするような処理が行われています。

そして、MsTimer2::set(ミリ秒,関数);　にて指定したミリ秒に達すると、ようやく指定の関数を呼び出しに行きます。つまり、内部では常に正確に１／１０００秒毎に割り込みが生じていて、指定したミリ秒分経過すると初めてユーザー関数が呼び出されるわけです。

というわけで、このタイマー割り込みライブラリを使用すれば、ＣＰＵの１クロック単位で正確な間隔で割り込みを発生させることが出来るわけです。

ただしもう少し厳密に言うと、実際は割り込み時の内部処理によるオーバーヘッドなどがあるので、毎回毎回若干のズレは生じているはずです。ただ「その若干のズレ」は累積していくことは無く、毎回毎回リセットされることになります。

なので、この割り込みライブラリを時計などに応用した場合、どうせ人間の目には何万分の１秒といった個々の誤差は判別できないし、誤差は累積していかないので、時計としての機能は万全、クリスタルの精度１クロック単位で正確と言って良いでしょう。

MsTimer2、安心して使ってください！

なお、ＭＥＧＡ８と違ってＭＥＧＡ１６８はデータシート上２０ＭＨｚまで上げることが出来るのですが、なぜ１６ＭＨｚの仕様を踏襲しているのかについても考えてみました。

このMsTimer2ライブラリもそうなのですが、標準機能であるdelay()関数やmillis()関数もＭＥＧＡ１６８内蔵のタイマーを利用して１／１０００秒を取り出しています（これらはタイマー０を使っている）。

タイマー０やタイマー２は共に８ビット幅のカウンターを持ったタイマーです。タイマー１は１６ビット幅です。

２０ＭＨｚを使用すると、どのプリスケラーを選択しても８ビットカウンタではピッタリ１／１０００秒を得ることが出来なくなります（お暇な方は計算してみてください。端数が出てしまいます）。

というわけで、少しばかりクロックを速くするよりも、タイマー関係のリソースを幅広く便利に応用できる１６ＭＨｚの方がユーザの利便性が高いということなのだと思います。

さて、ＡＶＲといえばｘＭＥＧＡシリーズは３２ＭＨｚ動作が可能です。今後arduinoにｘＭＥＧＡシリーズが使われるかは判りませんが、その時には１６ＭＨｚから一気に３２ＭＨｚになるのでしょうか？？？気になるところです。入出力ピンが３．３Ｖになっちゃうんですよねぇ、ｘＭＥＧＡシリーズは。