Timers, PWM e Interrupções: Guia de Microcontroladores

Neste tutorial, exploramos três periféricos fundamentais em microcontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados.: timers, PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores. (Pulse Width ModulationDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores.) e interrupçõesBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos.. Esses recursos são largamente utilizados em projetosIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. embarcados, sistemas de controle, robótica e aplicações de IoT. A compreensão de como configurar e utilizar cada um deles é essencial para o desenvolvimento de soluções confiáveis e eficientes.

Visão Geral e Importância🔗

MicrocontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. modernos dispõem de diversos periféricos internos que agilizam e simplificam tarefas de controle e processamentoBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos.. Entre eles, destacam-se:

Timers: responsáveis por medir intervalosConfigurando Métricas de Cobertura em SystemVerilogDescubra passo a passo como configurar covergroups, coverpoints, e ajustes de metas de cobertura em SystemVerilog para testes eficientes. de tempo, gerar contagens e eventos temporizados.
PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores.: fornece sinais de saída com ciclo de trabalhoOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. controlado, essencial para controle de motores, LEDs e outras cargas.
InterrupçõesBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos.: permitem tratar eventosEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. internos ou externos de forma assíncrona, garantindo resposta rápida a mudanças de estado sem precisar verificar continuamente (polling).

Esses periféricos funcionam em conjunto com a unidade central de processamentoMicroprocessadores e Microcontroladores: Arquitetura: Von Neumann vs. Harvard (CPU, ALU, barramentos)Descubra os princípios das arquiteturas Von Neumann e Harvard, componentes essenciais como CPU, ALU e barramentos, e suas aplicações em sistemas digitais. (CPU do microcontrolador), mas operam em grande parte de modo independente, liberando o processador para outras tarefas.

Timers🔗

Conceito de Temporização

Um timer é um módulo interno que conta impulsos de clock ou de fontes externas. Podemos configurar esse móduloOrganização de Projeto: Divisão em MódulosAprenda a dividir projetos em módulos com SystemVerilog e descubra como organizar código para garantir clareza, testes facilitados e manutenção ágil. para:

Contar até um valor pré-definido e então gerar um eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. (por exemplo, “estourar” – overflow).
Incrementar ou decrementar em função de um clockFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. interno (com ou sem prescaler).
Medir a duração de um pulso de entrada ou intervalosConfigurando Métricas de Cobertura em SystemVerilogDescubra passo a passo como configurar covergroups, coverpoints, e ajustes de metas de cobertura em SystemVerilog para testes eficientes. de tempo.

Na prática, o timer é um registradorContadores e Registradores: organização e aplicação em sistemas digitaisDescubra como contadores e registradores são essenciais na organização e manipulação de dados em circuitos digitais, fundamentais para a computação moderna. que incrementa periodicamente. Quando ele transborda (overflow) ou atinge um valor de comparação (compare match), dispara um evento – que pode ser uma interrupção ou atualização de outro periférico.

Prescaler e Precisão

Para medir intervalos de tempo mais longos ou adequar o timer a um clock de frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. alta, utiliza-se o prescaler. Ele divide a frequência de clock para que o timer seja incrementado em uma razão menor. Por exemplo, se o clock do microcontroladorMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. é de 16 MHz e usamos um prescaler 8, o timer receberá pulsos a cada 16 MHz / 8 = 2 MHz.

Isso impacta diretamente a resolução e a faixa de medição:

Menor prescaler → maior resolução de tempo (incrementos mais rápidos), porém alcance menor antes do overflow.
Maior prescaler → menor resolução, porém maior faixa de medição.

Modos de Operação

Alguns microcontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. oferecem diferentes modos para seus timers, como:

Modo Normal: o timer conta até seu limite (por exemplo, 8, 16 ou 32 bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos.) e faz overflow quando atinge o valor máximo.
Modo Clear Timer on Compare Match (CTC): reinicia a contagem assim que atinge um valor de comparação, fornecendo intervalosConfigurando Métricas de Cobertura em SystemVerilogDescubra passo a passo como configurar covergroups, coverpoints, e ajustes de metas de cobertura em SystemVerilog para testes eficientes. de tempo mais precisos.
Modo de Captura: captura o valor do timer em um eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. externo, útil para medir pulsos de entrada (ex.: medir largura de pulso de um sensor).

Essas configurações são feitas por meio de registradores específicos no microcontroladorMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. e variam conforme o fabricante.

PWM (Pulse Width Modulation)🔗

Conceito de PWM

A Modulação por Largura de Pulso (PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores.) é uma técnica de controle de potência ou nível médio de tensão através de pulsos digitais de mesma frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos., porém com largura de pulso variável (duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos.). A razão entre o tempo em nível alto (t_on) e o período total (T) determina o valor médio aplicado à carga.

Sinal de PWM (Duty Cycle de 50%):
 ___     ___     ___
|   |___|   |___|   |___ ...

Duty CycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. = (t_on / T) × 100%

Duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. alto → maior potência ou brilho.
Duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. baixo → menor potência ou brilho.

Geração de PWM via Timers

A maioria dos microcontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. gera PWM a partir de timers configurados em modos especiais (por exemplo, Fast PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores., Phase Correct, etc.). Em muitos casos:

1. É escolhido um timer compatível com modo PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores..

2. Define-se a frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. desejada (calculada a partir do clock e do prescaler).

3. Ajusta-se o duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. via registradoresContadores e Registradores: organização e aplicação em sistemas digitaisDescubra como contadores e registradores são essenciais na organização e manipulação de dados em circuitos digitais, fundamentais para a computação moderna. de comparação, que definem em que ponto do período o sinal muda de nível.

O processo ocorre de forma automática no hardware, sem depender de intervenção constante do software. Assim, o microcontroladorMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. pode executar outras tarefas enquanto o PWM segue ativo.

Aplicações Típicas

1. Controle de velocidadePortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos. de motores: Alterar o duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. muda a tensão média no motor, controlando a rotação.

2. Brilho de LEDsLedDescubra tudo sobre LEDs: entenda seu funcionamento, aprenda a calcular resistores e monte circuitos seguros com dicas práticas e eficientes.: Um PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores. rápido (acima de ~200 Hz) permite variar o brilho sem percepção de cintilação (flicker).

3. Gerar sinais de áudio: É possível produzir tons ou mesmo formas de onda básicas por PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores. (desde que filtradas adequadamente).

Interrupções🔗

O que são Interrupções?

InterrupçõesBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. são eventosEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. que forçam a CPU a interromper o fluxo normal de execução e saltar para uma rotina especial, chamada Rotina de Serviço de Interrupção (ISR). Ao concluir essa tarefa, o processador retorna ao ponto onde parou, prosseguindo a execução normal.

Isso é particularmente eficiente para lidar com situações onde se precisa de resposta imediata, ou não se deseja desperdiçar tempo fazendo “polling” de um eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes.. Exemplos de fontes de interrupção:

Timer (ex.: overflow ou compare match).
Pino externo (ex.: mudança de nível em um GPIO).
UARTComunicação Digital e Redes: Protocolos: serial (UART, I2C, SPI) e paralelaDescubra as vantagens e aplicações dos protocolos UART, I2C, SPI e paralela para comunicação digital em sistemas embarcados e projetos eletrônicos. (ex.: recepção de um byteIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos.).
Conversor ADCConversores Analógico–Digital e Digital–AnalógicoDescubra os fundamentos e aplicações dos conversores ADC e DAC, essenciais para a integração precisa de sistemas analógico e digital. (ex.: fim de conversão).

Como Funcionam?

De modo geral, cada interrupção possui um vetor (endereço) associado. Quando o eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. ocorre:

1. A CPU salva o contexto (registradorContadores e Registradores: organização e aplicação em sistemas digitaisDescubra como contadores e registradores são essenciais na organização e manipulação de dados em circuitos digitais, fundamentais para a computação moderna. de programa, etc.).

2. A execução salta para o endereço do vetor de interrupção.

3. A rotina ISR executa as instruções para tratar o eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes..

4. É executada a instrução de retorno de interrupção (retorne).

5. A CPUMicroprocessadores e Microcontroladores: Arquitetura: Von Neumann vs. Harvard (CPU, ALU, barramentos)Descubra os princípios das arquiteturas Von Neumann e Harvard, componentes essenciais como CPU, ALU e barramentos, e suas aplicações em sistemas digitais. restaura o contexto salvo e volta ao programa principal.

Podemos representar esse fluxo em um diagrama simplificado:

flowchart TD A(Início do Programa) --> B[Configurar Timer e Habilitar Interrupções] B --> C[Executar Loop Principal] C -->|Evento de Interrupção| D{Interrupção Ocorre?} D -->|Sim| E[Rotina de Interrupção (ISR)] E --> F[Retorno ao Loop Principal] D -->|Não| C

Priorização e Máscara de Interrupções

Em muitos microcontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados., pode haver vários tipos de interrupções habilitadas simultaneamente. Para gerenciá-las:

Priorização: cada interrupção tem um nível de prioridade; quando duas ocorrem ao mesmo tempo, a de maior prioridade é atendida primeiro.
Máscara: permite habilitar ou desabilitar interrupções específicas ou todas de uma vez, evitando interrupçõesBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. indesejadas durante tarefas críticas.

Boas Práticas em Rotinas de Interrupção

Ao escrever uma rotina de serviço de interrupção (ISR), recomenda-se:

1. Executar o mínimo de operações possível, liberando logo o processador.

2. Tratar variáveisMapas de Karnaugh: Otimização de Circuitos e Minimização de FunçõesDescubra como os Mapas de Karnaugh simplificam expressões lógicas, otimizando circuitos digitais e facilitando o projeto em eletrônica digital. globais com cuidado devido a possíveis acessos simultâneos.

3. Utilizar voláteis se necessário, pois o compilador não deve otimizar variáveisMapas de Karnaugh: Otimização de Circuitos e Minimização de FunçõesDescubra como os Mapas de Karnaugh simplificam expressões lógicas, otimizando circuitos digitais e facilitando o projeto em eletrônica digital. que podem mudar fora do fluxo principal.

4. Limpar os flags de interrupção adequadamente, evitando repetição infinita da ISR.

Exemplo de Utilização Conjunta🔗

Uma aplicação bastante comum envolve a utilização dos três recursos de forma integrada. Por exemplo:

1. Timer gerando interrupçõesBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. a cada período pré-definido (p. ex., a cada 1 ms).

2. Dentro da ISR do timer, faz-se a leitura de sensores ou incremento de contadoresRegistradores e Contadores: Contadores síncronos e assíncronos: sequências personalizadasAprenda as diferenças entre contadores assíncronos e síncronos, e descubra como utilizar sequências personalizadas para otimizar sistemas digitais. de tempo.

3. PWMDesenvolvimento de Projetos com ArduinoDomine o Arduino: entenda a configuração do hardware e software, e pratique com exemplos como o blink e a leitura de sensores. é utilizado para controlar a velocidade de um motor ou o brilho de um LED. A cada interrupção, pode-se atualizar o valor do duty cycleOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. conforme medições de sensor.

Dessa forma, o sistema reage instantaneamente às mudanças, sem precisar verificar continuamente se o tempo passou ou se um eventoEventos e Semáforos: Controle de Fluxo ConcorrenteDescubra como eventos e semáforos facilitam a sincronização e o controle de recursos em SystemVerilog, otimizando fluxos concorrentes. ocorreu.

Tabela de Comparação: Timers, PWM e Interrupções🔗

A tabela a seguir resume as funçõesMétodos e Sobrecarga: Técnicas para Maior FlexibilidadeDescubra como métodos, tasks, functions e sobrecarga em SystemVerilog otimizam a programação orientada a objetos com exemplos práticos e dicas de boas práticas. e características principais desses periféricos:

Periférico	Função Principal	Configuração Básica	Aplicações Típicas
Timer	Medir intervalos de tempo e contagens	Define modo (normal, CTC, captura), prescaler, valor de comparação	Geração de atrasos, contadores, clock para outras funções
PWM	Gerar sinal com ciclo de trabalho variável	Seleciona Timer com modo PWM, define frequência e duty cycle	Controle de motores, LEDs, aquecedores, saída analógica aproximada
Interrupções	Detecção assíncrona de eventos internos/externos	Habilita interrupção, configura vetor e prioridade	Resposta imediata a mudanças de estado (ex.: timers, GPIO, comunicação)