割り込みと絡むクリチカルな制御 変数にはVolatileを！

魔法の言葉「Volatile」、これ大事です。
先日の Atmega328P タイマー/カウンタ1の高速PWM動作 。
このスケッチ、「IR_FRQ_SCAN3.ino」。
　　※たくさん空いている出力ポートにパルスを出して、
　　　動きをオシロでチェックできるようにしています。

大まかな処理の流れは、

・5msごとに、LED駆動周波数であるPWM周波数と
　デューティ比を計算して、変数に保存。
・タイマー1割り込み内(PWM周波数と同じ)でその値を
　タイマー1レジスタに書き込み。

これを繰り返し、22kHz～54kHzの周波数で赤外線LEDを
光らせています。

スケッチから関連部分をプックアップ。

【関連する変数】
メインルーチンでセットして割り込みでハードウェアを制御

volatile byte f_frqset; // 周波数設定フラグ
volatile word led_div;  // LED駆動 分周比 ICR1に設定
volatile word led_duty; // 駆動デューティ PWM設定値　OCR1Aに設定

【関連する処理：loop内】

//  5msサイクルloop
    while(1){
      if(f_5ms){                // 5ms経過
        f_5ms = 0;
//  LED PWM周波数とデューティ
        PD4_H;                  // (!!!)
        if(led_frq == FRQ_LO){      // LO周波数のとき
          PD2_H;                    // (!!!) パルスH/L
          nop();    nop();    nop();    nop();    
          PD2_L;                    // (!!!)
        }
        a = (word)(160000L / (long)led_frq);    // 分周比 (1)
        b = (2 * a) / 3;        // デューティ 1/3で (2)
        cli();                  // いったん割り込み禁止にして (3)
        led_div  = a;           // LED駆動周分周比
        led_duty = b;           // デューティ比
        f_frqset = 1;           // 設定on タイマー1割り込みで処理
        sei();                  // 割込再開
//  周波数スキャン D/A PWM出力 220～540を0～320にして1/2
        OCR2A = 255 - ((led_frq - FRQ_LO) / 2);  // PWM 0～
        PD4_L;                  // (!!!)
      }

【割り込み処理】

ISR(TIMER1_OVF_vect)  // タイマー1割り込み TOP値で
{
static byte cyc = 0;        // LEDonサイクル
    PD7_H;                  // (!!!)
    switch(f_frqset){       // 実行区分
      case 1:       // PWM 設定指令
        PD3_H;                  // (!!!)
        ICR1  = led_div  - 1;   // LED周波数分周比 ★
        OCR1A = led_duty - 1;   // LED駆動デューティ 1/3 ★
        cyc = 8;                // 8サイクルだけLEDをon
        f_frqset = 2;
        PD3_L;                  // (!!!)
        break;
      case 2:       // サイクル数をチェックしてオフに
        if(cyc)     cyc--;
        if(cyc == 0){       // ダウンカウントしてゼロになった
          PD3_H;            // (!!!)
          if(INP_SENS){     // センサー入力 H/L ?
            SENS_H;         // ポート出力でH保持
            f_senshl = 1;
          }
          else{
            SENS_L;         // ポート出力でL保持
            f_senshl = 0;
          }
          OCR1A = 0xFFFF;   // LED駆動オフに
          f_sensok = 1;     // センサー状態確定
          f_frqset = 0;     // 次の起動設定を待つ
          PD3_L;            // (!!!)
        }
        break;
    }
    PD7_L;                  // (!!!)
}

(1) 5msごとに分周比=PWMの周波数とデューティ比を計算。
(2) 結果をいったん a と b に入れておいて。
(3) 割り込み禁止状態で変数に保存。

この部分の処理が、変数に付けた「volatileの有無」で変わって
しまうのです。

まずvolatileを付けたとき。　オシロでタイミングを見ます。


PWMを処理しているタイマー1割り込み、この場合は
一定の周期で繰り返しています。

ところがvolatileを外すと・・・



ch1波形、約65uほどのHレベル区間が「(1)(2)(3)」を
処理している時間です。
　　※ch2の1ms割り込みが5ms周期を知らせている。

ch3のタイマー1割り込み、新周期と新デューティ値を
変数に書いているのが「★★★」のタイミングです。
どういうわけか、割り込みが待たされてしまい、
処理の開始が遅れています。

これ、volatileを取ってしまったため、コンパイラが
　　「いちいち仮変数の a と b に入れんでもエエやん」
　　「直接 led_div と led_dutyに書いたろ」
　　「ちょっとは早なるで」
　　「いちおう書き込み前に cli() はしとこ」
　　「書き終わったら sei() ね」
と判断したせいです。

コンパイラの「ちょっとでも速よう実行できるほうがエエやろ」
というおせっかい。　(最適化の指示)
ただ、計算の前から割り込み禁止としたんで、時間のかかる除算が
割り込み禁止の中に入ってしまい、処理が長くなってタイマー1割り込み
が待たされてしまいました。
　　※(2)の除算が割り込み禁止の中に入ってました。
　　　(1)は禁止前の実行でした。
割り込みが待たされるということは・・・
ICR1でPWM周波数を決めている方法では、ちょっと怖いこと
(PWM処理の一周抜け)が起こるかもしれません。

※関連
・2018年10月11日：魔法の言葉「volatile」
・2016年02月19日：Arduinoのタイマー処理

※追記
コンパイルされたソースファイルで比較してみると。

★volatile有

 7b4:	20 91 21 01 	lds	r18, 0x0121  ▲led_frq
 7b8:	30 91 22 01 	lds	r19, 0x0122
 7bc:	40 e0       	ldi	r20, 0x00	; 0
 7be:	50 e0       	ldi	r21, 0x00	; 0
 7c0:	c5 01       	movw	r24, r10
 7c2:	b4 01       	movw	r22, r8
 7c4:	0e 94 94 07 	call	0xf28	; 0xf28 <__divmodsi4>
 7c8:	29 01       	movw	r4, r18
 7ca:	3a 01       	movw	r6, r20
 7cc:	c9 01       	movw	r24, r18
 7ce:	88 0f       	add	r24, r24
 7d0:	99 1f       	adc	r25, r25
 7d2:	b6 01       	movw	r22, r12
 7d4:	0e 94 80 07 	call	0xf00	; 0xf00 <__udivmodhi4>
 7d8:	f8 94       	cli     ★
 7da:	50 92 20 01 	sts	0x0120, r5   ▲led_div
 7de:	40 92 1f 01 	sts	0x011F, r4
 7e2:	70 93 1e 01 	sts	0x011E, r23  ▲led_duty
 7e6:	60 93 1d 01 	sts	0x011D, r22
 7ea:	30 92 1c 01 	sts	0x011C, r3   ▲f_frq_set
 7ee:	78 94       	sei     ★

★volatile無

 7b2:	20 91 21 01 	lds	r18, 0x0121  ▲led_frq
 7b6:	30 91 22 01 	lds	r19, 0x0122
 7ba:	40 e0       	ldi	r20, 0x00	; 0
 7bc:	50 e0       	ldi	r21, 0x00	; 0
 7be:	c5 01       	movw	r24, r10
 7c0:	b4 01       	movw	r22, r8
 7c2:	0e 94 92 07 	call	0xf24	; 0xf24 <__divmodsi4>
 7c6:	f8 94       	cli     ★
 7c8:	30 93 20 01 	sts	0x0120, r19   ▲led_div
 7cc:	20 93 1f 01 	sts	0x011F, r18
 7d0:	c9 01       	movw	r24, r18
 7d2:	88 0f       	add	r24, r24
 7d4:	99 1f       	adc	r25, r25
 7d6:	b6 01       	movw	r22, r12
 7d8:	0e 94 7e 07 	call	0xefc	; 0xefc <__udivmodhi4> ←★
 7dc:	70 93 1e 01 	sts	0x011E, r23  ▲led_duty
 7e0:	60 93 1d 01 	sts	0x011D, r22
 7e4:	70 92 1c 01 	sts	0x011C, r7   ▲f_frq_set
 7e8:	78 94       	sei     ★

「★volatile無」だと、「cli()割り込み禁止～sei()割り込み許可」内に
割り算が入っています。
「★volatile有」だと割り算は外に。
これが割り込み処理の遅れにつながっています。