Arduino IDEでラズパイ・ピコ：1msタイマー割り込み: 居酒屋ガレージ日記

2022年4月12日 (火)

Arduino IDEでラズパイ・ピコ：1msタイマー割り込み

Arduino IDEでラズパイ・ピコ：Earle Philhower版
の導入で、Raspberry Pi Pico C/C++ SDKの関数がちゃんと
動き出したようです。

アラーム割り込みとPWM割り込みの二つで
1msタイマー割り込みを試してみました。
こんなスケッチ。

/*****  1msタイマー割り込みのテスト *****/
//  タイマーとPWMで
//  GP2 1msタイマー割込処理時間
//  GP3 タイマー割込でトグル この周期が2.00598ms
//  GP4 loopでトグル　割り込みでパルスが停止
//  GP5 1kHz PWM出力
//  GP6 PWM割込処理時間
//  LED 1Hzで点滅
//  millisによル送信データ間隔が1003ms
#include "hardware/pwm.h"   // PWM処理に必要
#define nop()   asm volatile ("nop\n\t")    // nopコード
// ※参考
//  https://raspberrypi.github.io/pico-sdk-doxygen/group__hardware__pwm.html
//  https://github.com/raspberrypi/pico-examples/blob/master/pwm/led_fade/pwm_led_fade.c
//  https://plaza.rakuten.co.jp/sorriman/diary/202103080000/

//  データ
volatile word tm_1ms;   // 1msダウンカウントタイマー
volatile byte f_1sec;   // 1秒フラグ
word cnt_1sec;          // 秒カウンタ
char tx_str[64];    // 送信文字列

/*****  1ms割り込み処理   *****/
struct repeating_timer st_tm1ms;
//  割り込み処理
bool tm1ms(struct repeating_timer *t)
{
static word cnt1000 = 0;
static byte f_x3 = 0;
    gpio_put(2, HIGH);      // GP2 H
    f_x3 ^= 1;
    gpio_put(3, f_x3);      // GP3 トグル
    if(tm_1ms)      tm_1ms--;
    cnt1000 ++;
    if(cnt1000 >= 1000){
        cnt1000 = 0;
        f_1sec = 1;
    }
    gpio_put(2, LOW);       // GP2 L
    return true;
}

/*****  1kHz PWM割り込み    *****/
word slice_num5;    // GP5 PWMスライス番号
//  割り込み処理
void pwm1ms(void){
//static byte f_x6 = 0;
    pwm_clear_irq(slice_num5);
    gpio_put(6,  HIGH);    // GP6 H
    nop();    nop();    nop();    nop();  // 時間待ち
    nop();    nop();    nop();    nop();
    gpio_put(6,  LOW);     // GP6 L
//  gpio_put(6,  f_x6);    // GP6 トグル
//  f_x6 ^=1;
}

/*****  SETUP   *****/
void setup() {
    Serial1.begin(115200);  // TX0
    pinMode(2,  OUTPUT);    // GP2 1msタイマー割込時間
    pinMode(3,  OUTPUT);    // GP3 1ms割り込みでトグル
    pinMode(4,  OUTPUT);    // GP4 loopでトグル
    pinMode(6,  OUTPUT);    // GP6 PWM割り込み
    pinMode(25, OUTPUT);    // LED
//  GP5 PWM:1kHz 割り込み有効に
    gpio_set_function(5, GPIO_FUNC_PWM);    // GP5 PWMに
    slice_num5  = pwm_gpio_to_slice_num(5); // PWMスライス番号
    pwm_clear_irq(slice_num5);
    pwm_set_irq_enabled(slice_num5, true);
    irq_set_exclusive_handler(PWM_IRQ_WRAP, pwm1ms);
    irq_set_enabled(PWM_IRQ_WRAP, true);
    pwm_set_clkdiv(slice_num5, 100);        // 1.25MHz
    pwm_set_wrap(slice_num5, 1250-1);       // 1kHz
    pwm_set_chan_level(slice_num5, PWM_CHAN_B, 625);  // duty50%
    pwm_set_enabled(slice_num5, true);      // PWMスタート
//  1msサイクルでタイマー割り込み
    add_repeating_timer_us(1000, tm1ms, NULL, &st_tm1ms);
}

/*****  LOOP    *****/
void loop() {
byte f_x4  = 0;
byte f_x25 = 0;
uint32_t ms, t;
    ms = millis();
    while(1){
      if(f_1sec){           // 1秒ごとにシリアル出力
        f_1sec = 0;
        cnt_1sec++;
        if(cnt_1sec > 9999)     cnt_1sec = 0;
        t  = millis() - ms;
        ms = millis();
        sprintf(tx_str, "%4dsec %4ldms",
             cnt_1sec, t);
        Serial1.println(tx_str);
      }
      f_x4 ^= 1;            // loopでトグル
      gpio_put(4, f_x4);    // GP4 トグル
      if(tm_1ms == 0){      // 0.5秒経過
        tm_1ms = 500;
        f_x25 ^= 1;
        gpio_put(25, f_x25);   // LED トグル
      }
    }
}

・シリアル出力はTX0に。
・実行の様子はポートにパルスとして出力。
・GP2とGP3がアラーム割り込みによるパルス。
　GP3が500Hzでトグルします。
・GP4は処理loopでトグルパルスを出力。
　割り込みなどが入ると、このパルスが止まります。
・GP5が1kHzのPWM出力。
　50%デューテューに設定。
・GP6がPWM割り込みの処理時間。

問題なのがアラーム割り込み。
2022年4月8日にコメントしましたが、アラーム割り込み
を使うとこの中での処理遅れが加算されるのです。
　　※一定周期の時間が欲しい時はアウトです。

間違いなく一定周期が得られるPWMと比べて、どのくらい
違うかというと・・・
　アラーム割り込み(500Hzでトグル)が
　　　周期 2.005983ms
　1KHzのPWM出力が
　　　周期 0.9999975ms

1kHzに換算すると「1.00299倍」。
millisで間隔「1003ms」と出てくるので、
方形波パルスの周波数は正しいようです。
やはりアラーム割り込みによる繰り返しはダメ。

1msアラーム割り込みの処理時間はこんなのです。

GP2をH/Lしている割り込み処理の区間は約0.3us。
しかし、loopパルスが途絶えている区間が8usほど
になっています。
これが実際の割り込み処理時間になるわけです。
毎回の1ms割り込みで「3us」が積み重なると、
1秒で3msの遅れとなり、だいたいのつじつまが
合ってきます。

※重要
・一定周期の発生にはアラーム割り込みは適さない。
・利用できるのはPWM割り込み。
・PWM ＿_↑￣パルスエッジの直前で割り込みがかかる。
・PWM割り込み、実質的に一つしか使えない。
　　　どのPWMチャンネルから割り込みが入ったの
　　　　チェックがむつかしいかと。