2.2 定时器与波形生成

2.2 定时器与波形生成

本节摘要：硬件定时器是芯片里最被低估的外设：它不需要 CPU 参与就能数时间、出波形、量频率。本节从"预分频、计数器、比较寄存器"三件套讲起，推导 PWM 频率与占空比的完整计算链，对比输出比较与输入捕获两种工作模式，并借一次"舵机一抖、灯光就闪"的案例讲清定时器资源冲突这个经典问题。

上一节解决了"事件来了怎么抢答"，这一节解决"时间本身怎么被硬件精确度量"。它紧随中断，因为定时器的本质就是"周期性中断的来源"加上"不经过中断的硬件波形机"——理解了中断，定时器的两种身份都好理解。

定时器是一台自动计数机

把定时器想象成一台三个旋钮的计数机。第一个旋钮是预分频器：把主时钟除以一个系数，决定计数器每"滴答"一次代表多长时间。第二个旋钮是计数器：每个滴答加一，数到上限自动归零（或按配置反向）。第三个旋钮是比较寄存器：设定一个门槛，计数器每次超过门槛就翻转输出或触发事件。

PWM 的全部参数都从这三个旋钮算出来。以 16MHz 主时钟、8 位分辨率（数到 255 归零）为例：预分频设为 1 时，PWM 频率等于主时钟除以 256，约 62.5kHz；占空比等于比较值除以 256。整条计算链是"主时钟 ÷ 预分频 ÷ 计数上限 = PWM 频率"，反过来设计时先定频率与分辨率，再倒推预分频——分辨率与频率在天平两端：要 16 位细度就别想要高频 PWM，这是同一个计数器的两种花法。

图：同一台定时器的两种花法

精确出波：从需求倒推寄存器

设计 PWM 的正确顺序是倒推：需求给出目标频率与占空比精度，你反推预分频与计数上限。以 ESP32 为例，LED 外设直接提供这个接口：

// ESP32：把 13 号引脚配置为 25kHz、8 位分辨率的 PWM
const int LED_PIN  = 13;
const int FREQ_HZ  = 25000;   // 25kHz，超出人耳听觉范围，避免电感啸叫
const int CH       = 0;       // LEDC 通道 0
const int RES_BITS = 8;       // 8 位分辨率，占空比 0 到 255

void setup() {
  ledcSetup(CH, FREQ_HZ, RES_BITS);   // 频率与分辨率在此通道绑定
  ledcAttachPin(LED_PIN, CH);         // 把通道接到引脚
  ledcWrite(CH, 128);                 // 占空比 128，约 50%
}

void loop() { }                       // 波形由硬件持续输出，主循环自由
​

输入是三行配置，输出是一个持续的硬件波形——注意 loop 是空的，这正是硬件波形的价值：CPU 可以去睡觉或干别的，波形一赫兹都不会跑偏。作为对照，用软件在 loop 里翻转 GPIO 模拟 PWM，只要主循环里有任何耗时操作，波形立即失真——这也是第 4 章"把实时输出交给硬件"的伏笔。

舵机是另一类典型需求：50Hz 周期、0.5 至 2.5 毫秒高电平脉宽。它对频率稳定度极其敏感，因此不要与高频调光共用一个定时器通道。AVR 平台上 Arduino 的 Servo 库占用 Timer1，analogWrite 的 9、10 号脚恰好也是 Timer1——这就是著名的资源冲突源。

案例：舵机一抖、灯光就闪

背景：一个云台项目，舵机由 9 号脚 Servo 库驱动，10 号脚用 analogWrite 做补光灯调光。现象：每次补光灯从暗调亮，舵机出现规律性抖动，串口无异常。

操作：先查电源——补光灯电流仅 100 毫安且独立供电，电压轨稳定，排除。再查软件冲突：查库源码可知 Servo 库用 Timer1 产生精确脉冲，而 9、10 号脚的 analogWrite 同样挂在 Timer1 上。analogWrite 一旦调用，会改写 Timer1 的配置，Servo 的 50Hz 脉冲立刻被扰成毛刺——舵机收到的脉宽忽长忽短，表现为抖动。把调光挪到 5、6 号脚（Timer0），两者井水不犯河水。

结果：调光全程舵机纹丝不动。

解读：AVR 只有三个定时器，每个 Arduino 内置功能（millis 用 Timer0、Servo 用 Timer1、音频用 Timer2）都在划走地盘。在这类平台上写驱动前先画一张"定时器占用表"，是老工程师的肌肉记忆；ESP32 与 Pico 外设资源宽裕得多，冲突概率小，但"先查资源归属"的顺序不变。

变式：若项目需要更多精确 PWM 通道而定时器不够，可加一片硬件 PWM 扩展芯片走 I2C 总线（第 3 章 3.2 节），16 路波形由外部芯片生成，主控只发设定值——把"出波"这个任务彻底外包。

⚠️ 常见坑：改了定时器配置却忘了 milli 函数的基准——AVR 上动 Timer0 会让 delay 与 millis 全部失准，表现为"程序逻辑还在、时间概念全乱"。动任何定时器之前，先确认它是否已被 Arduino 核心占用。

💡 关键直觉：PWM 频率选型听两家的——负载的带宽与人耳的听觉。电机要低频大扭矩可选 1 至 8kHz，怕啸叫就上 20kHz 以上；LED 调光高于 200Hz 即无频闪感。

平台定时器资源速查

同一套三件套原理，落在三个平台上是三份不同的家底，选型与写驱动前各翻一遍：

两个平台的共性提醒：改任何定时器配置前，先查它在 Arduino 核心里是否已有主人；改完之后，millis 与延时的准确性要当场验证一遍。AVR 的 8 位定时器在低频 PWM 下分辨率堪忧——要 50Hz 舵机信号，16 位定时器或外部 PWM 扩展芯片才是正路，硬凑出来的低频波形抖动会原样传给舵机。

本节要点回顾

• 预分频、计数器、比较寄存器三件套推导一切 PWM 参数，频率与分辨率互相制约；
• 输出比较出波、输入捕获量波，数据流向一出一进，CPU 均不参与；
• 配置顺序是倒推：先定频率与精度需求，再反推寄存器参数；
• 定时器是稀缺资源，动手前先画占用表，Servo 与 analogWrite 的冲突是 AVR 经典雷；
• 能用硬件出波就不占 CPU，这是第 4 章任务划分的物理基础。