Timer auto-reload產生中斷來精確計時，以函式指標（function pointer）切換中斷服務程式的功能
我們上個月在兩篇文章中提過，使用高階語言開發MCU韌體，若要精確計時就要靠MCU內的Timer（計時器）來達成，因為編譯器能保證程式邏輯正確，但不能保證執行時間、效率。
回顧一下這兩篇文章：
消除開關彈跳現象（de-bounce）、Timer delay、功能選單，以N76S003為例
製作隔空感應的引擎轉速表 - N76S003計時器輸入捕捉的應用（Timer input capture）
這是003Clock系列的文章，前幾篇沒跟上的記得回追一下喔！
（一）製作新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件
（二）輕鬆上手：以VS Code, SDCC, Git建立新唐8051編譯環境
（三）新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件韌體技巧說明
Part 1：消除開關彈跳現象（de-bounce）、Timer delay、功能選單
Part 2：Timer auto-reload產生中斷來精確計時，以函式指標（function pointer）切換中斷服務程式的功能
Part 3：以N76S003的SPI控制PT6961白光LED七段顯示器
（四）實戰技巧分享：新唐ISP，不用燒錄器也能更新韌體
今天的主題是要介紹003Clock是怎麼計時的。一樣，完整程式碼請見留言區或GitHub source code。
8051是怎麼執行程式的？
幾乎所有的CPU都會由程式計數器（下稱PC, Program Counter）來控制程式的進程，這個PC可以把它視為一個「指針」指著程式記憶體（Code Memory），告訴CPU現在程式執行到哪裡。而程式記憶體，就是記載著我們燒編好燒進去的機器碼。
同樣地8051的CPU開機時PC會從0x0000開始往上加，逐一讀取出程式記憶體中的內容出來執行。（但是也有一些變種型號因為特殊需要，預設有offset不從0開始）
中斷有什麼好處？
MCU擁有相當多的硬體周邊功能，程式執行的過程也時常是接收某些硬體周邊的資訊，運算過後再經由周邊傳出，而這些硬體周邊的運作速度會比CPU的執行速度慢許多。舉個簡單的例子：「等待ADC轉換完畢，讀取轉換結果，再從UART將數值傳出去。」
那麼要怎麼確認ADC轉換完了沒？UART傳完了沒？有以下兩種方法可以確認：
- 輪詢：軟體不斷去讀取硬體周邊的暫存器確認硬體周邊的狀態
- 中斷：由硬體自動產生事件通知CPU，例如ADC轉換完畢的事件、UART傳送完畢的事件
比起CPU不斷輪流問硬體「好了沒？」，不如讓硬體主動通知CPU「我好了！」，程式執行效率是不是高了許多呢？
「我好了！」執行中斷向量裡頭的中斷服務程式吧！
中斷向量（Interrupt Vector）是中斷服務程式（ISR, Interrupt Service Routine）存放的位址。當中斷發生時，程式就不是逐一執行，而是會將PC移至中斷向量的位址，讓CPU執行對應的中斷服務程式，處理硬體周邊發生的事件。中斷服務程式執行完畢，再將PC移回原先執行到的位址，讓CPU繼續做剛剛沒做完的事情。
另外，如果是使用Cortex-M的讀者要留意，中斷管理是透過查詢中斷向量表來進行。Cortex-M有一個中斷向量表，儲在程序記憶體的特定位址中（一般從位址0開始）。當中斷事件發生時，處理器會根據中斷號碼查詢中斷向量表。中斷向量表中的記載了對應中斷事件ISR的位址，讓PC移動到該位址，以執行對應的ISR。於鏈結時會將ISR的位址填入到中斷向量表中。
N76S003的Timer 3
除了標準8051就有的Timer 0和1之外，新唐N76S003額外提供Timer 2和3，這讓計時、計數方面的應用能有更大的彈性。
在除彈跳/Timer delay的文章中介紹過Timer 0和1，也在引擎轉速表的文章裡面，介紹過了Timer 2的使用方式以及它輸入捕捉的應用，這回要來介紹Timer 3，這下N76S003的4個Timer都被我用上了XD。
N76S003的Timer 3是一個帶有1~1/128的prescaler的16-bit auto reload timer，如同Timer 0, 1和2一樣，也能在溢位時產生中斷事件，並且會在溢位時由硬體自動從RH3, RL3將初值載入Timer 3的計數器。不過Timer 3的計數器沒有映射在特殊功能暫存器中（SFR, Special Function Registers），就不像前述那3個Timer能夠被程式存取，也因為這樣，Timer 3就很適合拿來當一個單純產生計時中斷事件的Timer，也是當初挑它來當計算時間Timer的原因。
以下節錄自N76S003的技術參考手冊，也許當初新唐RD就是考量到有這種需求，設計了Timer 3放進這顆晶片？
Timer 3 Auto reload產生2 Hz的中斷
在003Clock的應用中，要用Timer 3產生一個2 Hz的事件，並透過中斷的方式通知CPU「時間到了！」。為什麼不是1 Hz？不是每1秒把秒針加一就好嗎？其實是為了閃爍七段顯示器的冒號（秒點），才將事件設成2 Hz，也就是每0.5秒鐘去切換一次冒號的狀態。Auto reload是由硬體自動完成，好處就是溢位以後，不用透過軟體重新載入Timer 3的初始值，這完全避免掉了軟體執行時間產生的誤差，達到精確計時的目的。
將prescaler設定成1/128，並將初始值RH3, RL3設定成3036（65536 - 62500），就能產生2 Hz的事件，計算式如下：
16 MHz /
128 / 62500 = 2 Hz
除此之外，要讓事件發生中斷，還別忘了要將中斷致能。EIE1 |= 0x02; EA = 1;
- RH3 = (uint8_t)(3036 >> 8); // 65536 - 62500
- RL3 = (uint8_t)(3036 & 0xFF);
- T3CON = 0x0F; // Timer 3 run, pre-scalar = 1/128
- EIE1 |= 0x02; // Enable timer 3 interrupt
- EA = 1;
Timer 3的中斷服務程式
Timer 3的中斷服務程式內容很簡單，就是透過if ((u8counter & 0x01) == 0)將2 Hz的頻率再除2，變成1 Hz的頻率呼叫計時函式clock()。u8counter & 0x01實際上是一個最佳化過的2餘數除法。真正的餘數除法u8counter % 2得先進行除法運算，再將商數乘上除數與被除數相減，才能獲得餘數。透過一條簡單的AND運算只取u8counter的最低位元，也能做到2餘數的功能，執行速度會快上許多。
- void Timer3_ISR(void) __interrupt (16)
- {
- static uint8_t u8counter;
- if ((u8counter & 0x01) == 0)
- {
- clock(&time, 0);
- clock(&stopwatch, 1);
- }
- u8counter ++;
- (*isrFunction)();
- T3CON &= 0xEF; // Clear TF3
- }
蛤啊？(*isrFunction)();？這是什麼咚咚？ … 函式指標的實際應用
剛剛提過，每個中斷事件發生時，都會將PC移動至中斷向量，去執行裡面的內容，而每個事件都只會有一個中斷向量而已，所以原則上一個事件發生時只能夠執行一段固定的程式碼。
003Clock能顯示時間之外，還有顯示秒數、計時器的功能，這些功能都與Timer 3計數息息相關，所以也用Timer 3中斷來更新七段顯示器的內容。之前看過功能選單那篇文章的讀者就知道，我是在main()迴圈內以switch case切換不同顯示功能的，言下之意就是要在main()迴圈中改變中斷服務程式的功能。
還在念大學的時候曾經修過C語言，老師跟我們說C語言的指標除了可以指向變數位址，還能指向函式的位址。當時聽得霧傻傻，想說要執行函式不就去call那個function而已，搞那麼複雜幹嘛。還好當初學的沒還給老師，這回還真的被我用上了「函式指標」。（也是因為寫MCU韌體要實際去操作記憶體，才逐漸了解指標奧妙之處，善用指標真的可以把韌體寫得很好、效率很高。）
在003Clock的應用中，我宣告了一個全域的函式指標變數，然後在main()迴圈內的switch case，依照不同功能將該函式指標指向某個function，並在中斷服務程式執行這個函式指標指到的function，達到切換中斷服務程式執行內容的功能。
重點回顧
- 中斷事件發生時，會去執行中斷服務程式
- Timer Auto-Reload可以避免軟體執行初始值載入的誤差
- 透過改變函式指標指向的函式位址，可以切換中斷服務程式的功能
- 函式指標的宣告方式
void (*isrFunction)(void); - 將函式指標指向函式func1()
isrFunction = &func1; - 執行函式指標指到的函式
(*isrFunction)();
看完了3篇有關Timer的文章，你們說Timer重不重要，N76S003的Timer好不好用！
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