Temporizador

Uma aplicação que desenha a cada dois ticks precisa de uma fonte regular de eventos. No PC, a saída do contador 0 do i8254 está ligada à IRQ0. Os três contadores de 16 bits recebem impulsos de um relógio de entrada; o divisor e o modo determinam a saída de cada um.

Relógio, divisor e modos

Nos exemplos usamos a frequência nominal de entrada $f_{in}=1\,193\,182\ \text{Hz}$. No código do laboratório usa a constante TIMER_FREQ do cabeçalho de apoio, sem a repetir em várias funções.

Nos modos periódicos, um divisor $N$ determina a frequência:

$$f_{out}=\frac{f_{in}}{N},\qquad T=\frac{N}{f_{in}}.$$

Para 1000 Hz, a política de quociente inteiro escolhe $N=\lfloor1193182/1000\rfloor=1193$. Dividir o relógio por 1193 produz cerca de 1000,15 Hz. O pedido não é a frequência exata da saída. Em contagem binária, o valor carregado 0x0000 representa 65536, não um divisor zero. Os modos 2 e 3 exigem um divisor de pelo menos 2. Em BCD, o contador representa quatro algarismos decimais e o intervalo é diferente; não interpretes um valor BCD como um contador binário de 16 bits.

Modo	Comportamento da saída
0, terminal count	A saída sobe quando a contagem termina e conserva esse nível
1, one-shot	Um disparo externo inicia um impulso, que pode ser novamente disparado
2, rate generator	Um impulso baixo de um ciclo por período, com recarga automática
3, square wave	Saída alta e baixa durante partes aproximadamente iguais do período
4, software strobe	Impulso no fim da contagem iniciada por software
5, hardware strobe	Impulso no fim da contagem disparada externamente

No modo 3, um divisor par dá metades iguais. Com divisor ímpar, a fase alta dura um ciclo de entrada mais do que a baixa, por isso não contes os dois flancos da onda como duas interrupções por período.

Palavra de controlo

As portas dos contadores são 0x40, 0x41 e 0x42; a porta de controlo é 0x43. A palavra de controlo normal tem estes campos:

Bits	Campo
7 a 6	Contador: 00 para 0, 01 para 1, 10 para 2
5 a 4	Acesso: 01 só LSB, 10 só MSB, 11 LSB seguido de MSB
3 a 1	Modo de contagem
0	Base: 0 binária, 1 BCD

Por exemplo, contador 2, LSB seguido de MSB, modo 3, binário:

$$10\ 11\ 011\ 0_2=\texttt{0xB6}.$$

Para carregar $N=1234=\texttt{0x04D2}$:

Passo	Porta	Valor	Efeito
1	0x43	0xB6	Selecionar contador 2, LSB/MSB, modo 3 binário
2	0x42	0xD2	Escrever os oito bits inferiores
3	0x42	0x04	Escrever os oito bits superiores

As duas escritas usam a mesma porta, mas carregam partes diferentes. Inverter os bytes daria 0xD204, ou 53764. Se esse divisor fosse usado no contador 0, produziria cerca de 22,19 Hz em vez da frequência esperada para 1234.

Read-back e estado

Para conhecer a configuração, escreve um read-back command em 0x43 e lê o estado na porta do contador escolhido. Os bits 7 e 6 são 11 para distinguir este comando de uma palavra de controlo normal.

Bit	Valor relevante no read-back
5	0 para capturar a contagem, 1 para não a capturar
4	0 para capturar o estado, 1 para não o capturar
3	1 seleciona o contador 2
2	1 seleciona o contador 1
1	1 seleciona o contador 0
0	Reservado, escreve 0

COUNT e STATUS são seleções ativas a 0. Para obter só o estado do contador 0, a palavra é 0xE2: 0xC0 identifica read-back, 0x20 evita a contagem e 0x02 seleciona o contador. Depois, lê 0x40 uma vez.

No byte de estado, o bit 7 representa OUT e o bit 6 é Null Count, que indica se o novo valor ainda não foi carregado no elemento de contagem. Os bits 5 a 0 repetem acesso, modo e base. Não interpretes os bits 7 e 6 do estado como seleção do contador.

Extrai o modo com (status >> 1) & 7. Os códigos 6 e 7 são alternativas de 2 e 3; normaliza-os subtraindo 4. Quando o comando captura estado e contagem, a leitura da porta do contador devolve primeiro o byte de estado e depois os bytes da contagem, pela ordem de acesso programada. O latch permite obter um valor coerente sem juntar bytes de contagens diferentes.

Escolher a frequência

Para pedir 60 Hz, o divisor ideal é:

$$N^*=\frac{1\,193\,182}{60}=19\,886{,}366\ldots$$

Como o divisor é inteiro, uma política habitual no laboratório usa o quociente inteiro, $N=19886=\texttt{0x4DAE}$. A frequência real é:

$$f_{real}=\frac{1\,193\,182}{19886}\approx60{,}001106\ \text{Hz}.$$

Carregam-se LSB 0xAE e MSB 0x4D. O período é cerca de 16,66636 ms. Uma contagem de 216000 ticks, interpretada como uma hora a 60 Hz, termina cerca de 0,0664 s antes de uma hora real neste modelo de relógio ideal.

A escolha por quociente inteiro e a escolha por arredondamento ao inteiro mais próximo são políticas diferentes. Com 100 Hz, o quociente dá 11931 e cerca de 100,006873 Hz; o arredondamento dá 11932 e cerca de 99,998491 Hz. Declara qual estás a usar antes de comparar resultados.

A simulação usa quociente inteiro e contagem binária em modo 3. Altera a frequência para observar o divisor, os bytes e a diferença entre pedido e resultado. Não modela tolerância do oscilador, atrasos do Minix nem perda de notificações.

Antes de converter para uint16_t, verifica a frequência e o quociente. Um pedido de 18 Hz exige um divisor maior do que 65536 e não cabe no intervalo binário. Converter primeiro pode produzir um divisor pequeno e uma frequência inesperada. Para usar 65536, conserva esse valor num tipo mais largo durante as contas e codifica-o como dois bytes zero.

Preservar a configuração

Se a função só altera a frequência, conserva os quatro bits inferiores do estado, que contêm modo e base. A palavra normal reúne seleção do contador, acesso LSB/MSB e status & 0x0F:

uint8_t control = (uint8_t)((timer << 6) | 0x30 | (status & 0x0F));

Este é um excerto de construção da palavra, com timer previamente validado entre 0 e 2. Ler a configuração, construir a palavra e carregar o divisor são operações com possíveis falhas de I/O. Se a base for BCD, uma rotina que só calcula divisores binários deve rejeitá-la ou tratá-la explicitamente.

Alterar timer 0 também afeta o Minix: o sistema assume a frequência que programou para medir tempo. Se passares de 60 para 30 Hz sem mudar esse pressuposto, o relógio do sistema avança cerca de metade do tempo real. Repõe a configuração exigida pelo ambiente ao terminar a experiência.

Ticks, intervalos e overflow

Com frequência $f$, $k$ ticks representam aproximadamente $k/f$ segundos. Entre os contadores 120 e 453, passaram 333 ticks, ou 5,55 s a 60 Hz. A resolução é um tick; o resultado não mede frações de tick.

Para um contador sem sinal de 32 bits, a subtração também é feita módulo $2^{32}$. Se start = 0xFFFFFFFE e now = 3, now - start dá 5 em uint32_t, apesar da passagem por zero. O cálculo é útil desde que o intervalo real tenha menos de uma volta completa do contador. Não funciona se já passaram uma ou mais voltas sem que as tenhas contabilizado.

Para decidir timeouts por comparação de diferenças, mantém todos os valores com o mesmo tipo sem sinal e uma duração dentro do intervalo suportado. A 60 Hz, uma volta de 32 bits dura cerca de 828,5 dias. Um contador com sinal não oferece a mesma regra: o overflow com sinal é comportamento indefinido.

Finalmente, distinguir frequência do hardware e frequência de desenho evita erros de animação. Um timer a 60 Hz pode gerar um desenho a cada dois ticks, ou 30 frames/s. A lógica pode receber teclas entre frames; não a bloqueies à espera de um desenho.