T/C0的结构组成-AVR单片机开发入门及实例

图7-1为8位定时计数器T/C0的硬件结构框图。

1.寄存器

T/C0（TCNT0）和输出比较寄存器（OCR0）为8位寄存器。中断请求（图中简写为Int.Req.）信号在定时器中断标志寄存器TIFR都有反映。所有中断都可以通过定时器中断屏蔽寄存器TIMSK单独进行屏蔽。由于TIFR和TIMSK由几个定时器单元共享，所以图7-1中没有给出TIFR和TIMSK。

图7-1 8位T/C0的结构框图

T/C0可以通过预分频器由内部时钟源驱动，或者是通过T0引脚的外部时钟源来驱动。时钟选择逻辑模块控制使用哪一个时钟源与什么边沿来增加（或降低）T/C的数值。如果没有选择时钟源T/C0就不工作。时钟选择模块的输出定义为定时器时钟clk_T0。

双缓冲的输出比较寄存器OCR0一直与T/C0的数值进行比较。比较的结果可用来产生PWM波，或在输出比较引脚OC0上产生变化频率的输出，比较匹配事件还将置位比较标志OCF0。此标志可以用来产生输出比较中断请求。

2.定义

本文的许多寄存器及其各个位以通用的格式表示。小写的“n”取代了T/C的序号，在此即为0。小写的“x”取代了输出比较单元通道，在此即为通道A。但是在写程序时要使用精确的格式，例如使用TCNT0来访问T/C0计数器值。

BOTTOM、TOP、MAX的定义如下所示。

BOTTOM：计数器计到0x00时即达到BOTTOM。

MAX：计数器计到0xFF（十进制的255）时即达到MAX。

TOP：计数器计到计数序列的最大值时即达到TOP。TOP值可以为固定值0xFF（MAX），或是存储于寄存器OCR0A里的数值，具体由工作模式确定。

3.T/C0的时钟源

T/C0可以由内部同步时钟或外部异步时钟驱动。时钟源是由时钟选择逻辑决定的，而时钟选择逻辑是由位于T/C0控制寄存器TCCR0的时钟选择位CS02∶0控制的。

4.计数器单元

8位T/C的主要部分为可编程的双向计数单元。图7-2即为计数器和周边电路的框图。

图7-2 T/C0计数单元逻辑功能图

图中符号所代表的意义如下：

●计数（count）：TCNT0加1或减1。

●方向（direction）：加或减的控制。

●清除（clear）：清零TCNT0。

●计数时钟（clk_T0）：C/T0时钟源。(www.xing528.com)

●顶部值（TOP）：表示TCNT0计数值到达上边界。

●底部值（BOTTOM）：表示TCNT0计数值到达下边界（零）。

根据不同的工作模式，计数器针对每一个clk_T0实现清零、加1或减1操作。clk_T0可以由内部时钟源或外部时钟源产生，具体由时钟选择位CS02∶0确定。没有选择时钟源时（CS02∶0=0）定时器即停止。但是不管有没有clk_T0，CPU都可以访问TCNT0。CPU写操作比计数器其他操作（如清零、加减操作）的优先级高。

计数序列由T/C控制寄存器（TCCR0）的WGM01和WGM00决定。计数器计数行为与输出比较OC0的波形有紧密的关系。T/C溢出中断标志TOV0根据WGM01∶0设定的工作模式来设置。TOV0可以用于产生CPU中断。

5.输出比较单元

8位比较器持续对TCNT0和输出比较寄存器OCR0进行比较。一旦TCNT0等于OCR0，比较器就给出匹配信号。在匹配发生的下一个定时器时钟周期输出比较标志OCF0置位。若此时OCIE0=1且SREG的全局中断标志I置位，CPU将产生输出比较中断。执行中断服务程序时OCF0自动清零，或者通过软件写“1”的方式来清零。根据由WGM21∶0和COM01∶0设定的不同的工作模式，波形发生器利用匹配信号产生不同的波形。同时，波形发生器还利用max和bottom信号来处理极值条件下的特殊情况。图7-3为输出比较单元的框图。

使用PWM模式时OCR0寄存器为双缓冲寄存器；而在正常工作模式和匹配时清零模式双缓冲功能是禁止的。双缓冲可以将更新OCR0寄存器与top或bottom时刻同步起来，从而防止产生不对称的PWM脉冲，消除了干扰脉冲。

访问OCR0寄存器看起来很复杂，其实不然。使能双缓冲功能时，CPU访问的是OCR0缓冲寄存器；禁止双缓冲功能时CPU访问的则是OCR0本身。

使用注意事项：

1）强制输出。比较工作于非PWM模式时，可以通过对强制输出比较位FOC0写“1”的方式来产生比较匹配。强制比较匹配不会置位OCF0标志，也不会重载/清零定时器，但是OC0引脚将被更新，好像真的发生了比较匹配一样（COM0[1∶0]决定OC0A是置位、清零，还是“0”与“1”交替变化）。

图7-3 T/C0输出比较单元逻辑功能图

2）写TCNT0操作将阻止比较匹配。CPU对TCNT0寄存器的写操作会在下一个定时器时钟周期阻止比较匹配的发生，即使此时定时器已经停止了。这个特性可以用来将OCR0初始化为与TCNT0相同的数值而不触发中断。

3）使用输出比较单元。由于在任意模式下写TCNT0都将在下一个定时器时钟周期里阻止比较匹配，在使用输出比较时改变TCNT0就会有风险，不论T/C此时是否在运行。如果写入的TCNT0的数值等于OCR0，比较匹配就被丢失了，造成不正确的波形发生结果。类似地，在计数器进行降序计数时不要对TCNT0写入等于BOTTOM的数据。

OC0的设置应该在设置数据方向寄存器之前完成。最简单的设置OC0的方法是在普通模式下利用强制输出比较FOC0。即使在改变波形发生模式时OC0寄存器也会一直保持它的数值。

注意COM0[1∶0]和比较数据都不是双缓冲的。COM0[1∶0]的改变将立即生效。

4）比较匹配输出单元。比较匹配模式控制位COM0[1∶0]具有双重功能。波形发生器利用COM0[1∶0]来确定下一次比较匹配发生时的输出比较状态（OC0）；COM0[1∶0]还控制OC0引脚输出信号的来源。图7-4为受COM0[1∶0]设置影响的简化逻辑框图。I/O寄存器、I/O位和I/O引脚以粗体表示。图中只给出了受COM0[1∶0]影响的通用I/O端口控制寄存器（DDR和PORT）。当谈及OC0状态时指的是内部OC0寄存器，而不是OC0引脚。系统复位时OC0寄存器清零。

如果COM0[1∶0]不全为零，通用I/O口功能将被波形发生器的输出比较功能取代。但OC0引脚为输入还是输出仍然由数据方向寄存器DDR控制。在使用OC0功能之前首先要通过数据方向寄存器的DDR_OC0位将此引脚设置为输出。端口功能与波形发生器的工作模式无关。

图7-4 T/C0比较匹配输出单元逻辑图

输出比较逻辑的设计允许OC0状态在输出之前首先进行初始化。要注意某些COM0[1∶0]设置保留给了其他操作类型。

5）比较输出模式和波形产生。波形发生器利用COM0[1∶0]的方法在普通模式、CTC模式和PWM模式下有所区别。对于所有的模式，设置COM0[1∶0]=0表明比较匹配发生时波形发生器不会操作OC0寄存器。改变COM0[1∶0]将影响写入数据后的第一次比较匹配。对于非PWM模式，可以通过使用FOC0来立即产生效果。