タイマ／カウンタ（PWM・キャプチャ・コンペア）

時間を「数える」ハードウェア

マイコンで「10ミリ秒ごとに制御ループを回す」「LEDを30%の明るさで光らせる」「入力パルスの幅を測る」——これらはすべて、ソフトウェアのループで数えていては精度も分解能も足りません。CPUが割り込みや他の処理で忙しければ、待ちループのカウントは簡単にずれます。そこで タイマ／カウンタ（timer/counter） という専用ペリフェラルが、クロックを数える仕事をハードウェアに肩代わりさせます。

タイマの本体は、クロックのたびに1ずつ増える（または減る）カウンタレジスタ です。これが自走し続けることを土台に、コンペアで波形を出す（PWM）、キャプチャで外部イベントの時刻を記録する、といった機能が積み上がります。本稿ではこのカウンタの計数から、PWM生成・パルス幅測定・エンコーダ計数・タイマ割り込みまでを、内部で何が起きているかに踏み込んで追います。周期割り込みで駆動する制御ループの割り込み側は /embedded/interrupt-handling-isr/ も併せて読むと理解が立体的になります。

カウンタとプリスケーラ：周期はどう決まるか

タイマに入るクロック（タイマクロック）は、しばしばシステムクロックそのままで、数十MHz〜数百MHzと速すぎます。そのままカウンタに入れると、たとえば16ビットカウンタ（0〜65535）は72MHzなら1ミリ秒足らずで一周してしまい、長い周期が作れません。これを解決するのが プリスケーラ（prescaler） です。

プリスケーラは入力クロックを整数比で分周するカウンタで、「N＋1回に1回だけ本体カウンタを進める」働きをします。分周後の1カウントあたりの時間は次のようになります。

[タイマの時間分解能と周期]

  tick周期     = (プリスケーラ値 + 1) / タイマクロック周波数
  カウンタ周期 = (ARR + 1) × tick周期
             = (PSC + 1) × (ARR + 1) / f_timer

  例: f_timer = 72 MHz, PSC = 71, ARR = 999
      tick   = 72 / 72e6 = 1 μs
      周期   = 1000 × 1 μs = 1 ms  → 1 kHz の周期タイマ

ここで ARR（Auto-Reload Register、オートリロードレジスタ） は、カウンタが数え上がる上限値です。アップカウントの場合、カウンタはARRに達すると次のtickで0へ戻り（ラップし）、同時に 更新イベント（update event） を発生させます。この「一周した」という合図が、周期割り込みやPWMの1周期の区切りになります。分周（PSC）で粗く、ARRで細かく周期を刻む二段構えにより、遅い周期から速い周期まで広い範囲を1つのタイマでカバーできるわけです。

出力コンペアとPWM生成

カウンタが自走しているとき、コンペアレジスタ（CCR: Capture/Compare Register） に値を書いておくと、ハードウェアは毎tickで「カウンタ値とCCRが一致したか」を比較します。一致した瞬間に出力ピンを設定・クリア・反転する——これが 出力コンペア（output compare） です。CPUは一度設定すれば、あとは介入なしに波形が出続けます。

この仕組みで PWM（Pulse Width Modulation、パルス幅変調） を作ります。エッジアライン（左詰め）PWMの典型的な動作は次の通りです。

[エッジアラインPWMの1周期]

  カウンタ: 0 ─────► CCR ─────► ARR ─(ラップ)─► 0 ...

  ・カウンタ = 0（更新イベント）      → 出力を High にセット
  ・カウンタ = CCR（コンペア一致）    → 出力を Low にクリア
  ・カウンタ = ARR で 0 へ戻り次周期へ

  結果の波形:
        ┌────────┐         ┌────────┐
     ───┘        └─────────┘        └───
        0       CCR       ARR       周期の繰り返し

  デューティ比 = CCR / (ARR + 1)
  PWM周波数    = f_timer / ((PSC+1) × (ARR+1))

つまり CCRの値がそのままオン時間（デューティ比）を決める。CCRを大きくすればHigh区間が伸び、平均電圧が上がります。ARRで決まる周期は一定のまま、CCRだけを書き換えれば、LEDの明るさやモータへの印加電圧を滑らかに変えられます。周波数を固定したまま実効電力だけを連続的に制御できる点が、PWMがモータ制御・電源・調光で使われる理由です。

入力キャプチャ：周期とパルス幅を測る

出力コンペアが「カウンタ値を出力イベントに変える」のに対し、入力キャプチャ（input capture） は逆に「外部エッジの瞬間のカウンタ値を記録する」機能です。入力ピンに指定したエッジ（立ち上がり／立ち下がり）が来ると、その瞬間のカウンタ値がハードウェアによってCCRへ即座にラッチされ、キャプチャ割り込みを上げます。

肝は、ラッチがハードウェアで行われるため、割り込み応答の遅れ（レイテンシ）に測定精度が左右されない ことです。ソフトウェアがカウンタを読みに行くと、割り込みが遅れたぶんだけ誤差が乗りますが、キャプチャはエッジと同時に値が凍結されるので、後からCPUがCCRを読めば正確なエッジ時刻が得られます。

[2エッジのキャプチャで周期・パルス幅を測る]

  信号:  ──┐        ┌────────┐        ┌──
           └────────┘        └────────┘
           ↑立下り   ↑立上り  ↑立下り
          cap1      cap2     cap3

  周期      = cap3 - cap1    （同極性エッジの間隔）
  Highパルス幅 = cap3 - cap2    （立上りと直後の立下りの間隔）

  時間換算 = カウント差 × tick周期

周波数測定は「2つの立ち上がりエッジ間のカウント差」を時間へ換算して逆数を取る、パルス幅測定は「立ち上がりと直後の立ち下がりのカウント差」で得ます。多くのタイマは1入力を2つのキャプチャチャネルに同時に配線し、片方で立ち上がり、もう片方で立ち下がりを捉える PWM入力モード を持ち、周期とデューティ比を一度に測れます。

エンコーダモード：回転を数える

インクリメンタルロータリエンコーダは、90度位相のずれた2つの矩形波（A相・B相）を出します。この位相差から回転方向が、エッジ数から回転量が分かります。多くのタイマは エンコーダモード を内蔵し、A相・B相を2つのタイマ入力に与えると、ハードウェアが両相のエッジを見て カウンタを自動で増減 します。CPUはカウンタを読むだけで位置が得られます。

方向判定の原理は、あるエッジが来た瞬間にもう一方の相がHighかLowかを見ることです。たとえばA相立ち上がり時にB相がLowなら正転、Highなら逆転、というように、2相の組み合わせ（{A,B} の遷移）から進む向きが一意に決まり、カウンタを＋1／−1します。チャタリング（接点のばたつき）による誤カウントを避けるため、入力に デジタルフィルタ（数サンプル連続で同値なら確定）を掛けられるタイマが多く、機械式エンコーダでは有効化が実務上ほぼ必須です。

タイマ割り込みとイベント

タイマは各所でイベントを発生させ、割り込みやDMA要求に変換します。主なものは次の通りです。

最も多用されるのが更新イベントによる 周期割り込み で、「一定周期で必ず1回」という時間基準を作ります。RTOSのシステムティック（スケジューラの時間刻み）も、多くはこの周期タイマ割り込みが土台です。ここで重要なのは、周期タイマがハードウェアで時刻を刻む以上、ISRの実行が多少遅れても次の割り込みタイミングはずれない ことです。ソフトのループと違い、位相がドリフトしないので、制御周期やサンプリング周期の基準として信頼できます。

まとめ

タイマ／カウンタは、プリスケーラで分周したクロックをカウンタで数えることを土台に、コンペアで波形を出し（PWM）、キャプチャで外部イベントの時刻を測り、エンコーダモードで回転を数え、更新イベントで周期割り込みを供給する、多機能な時間エンジンです。周期は (PSC+1)×(ARR+1)/f_timer、PWMのデューティ比は CCR/(ARR+1) という2本の関係式が設計の背骨になります。要点は、時間に関わる正確さの必要な部分（波形エッジ・エッジ時刻・周期基準）をCPUのソフトループから切り離し、ハードウェアに刻ませること。これがジッタとドリフトを避け、CPUを解放する組み込み制御の定石です。より上位の制御則やサンプリングの設計は /dsp-control/ も参照してください。