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STM32 定时器

概述

用来定时的器件

定时器的基本原理

在 STM32 上，一般来说，定时器由三个部分组成

（1）时基单元：Time Base Unit

定时器的基本部件。所有的定时器都有这个部件。

  由一个“计数器”组成。“计数器”可以设置为从一个值按照  
  一定的时钟频率递减到0,也可以设置从0按照一定的时钟  
  频率递增到一个值。然后产生一个溢出事件/中断，从而达到  
  定时的功能。

例子1

（2）输入捕获单元：可以对一个或多个输入信号进行处理

有些定时器没有。
可以捕获一个或多个输入信号(看你这个定时器有几个输入通道 CHx_IN)
有什么用呢？如：　可以计算输入信号的频率

  输入信号经过“输入捕获阶段”(数字滤波、多路复用、预分频等等)，  
  到信号检测，当检测到需要的信号状态变化时(上升沿/下降沿)，  
  就会把定时器时基单元中计数器的值，锁定到“捕获/比较寄存器”  
  这样，就可能根据预先设定的定时器的参数(时钟频率，N值等等)，  
  就可以算出从开始到捕获这个信号状态的这一段的时间。

（3）输出比较单元：可以输出一个或多个信号

有些定时器没有。

  定时器还可以输出一个电平、  
  并且可以根据“比较寄存器”的值，翻转电平的状态。  
  如:	 CCR: Capture Compare Register捕获/比较寄存器  
  		定时器的第(2)输入捕获单元　和第(3) 输出比较单元  
  			不同时用。

  	CNT >= CCR　输出一个高电平  
  	CNT < CCR	输出一个低电平

  	PWM方波

STM32F4xx 定时器概述

SysTick2

系统定时器, 所有 Cortex M3/M4 中都会内置于 NVIC 一个 SysTick 的定时器。
这个定时器，被称为系统定时器。这个定时器只有一个时基单元。
并且在溢出时，会产生一个 SysTick 异常(中断) 。

为什么要内置一个这个玩意？

因为大多数操作系统，都需要一个硬件定时器来产生操作系统需要的
时钟嘀哒中断。用于操作系统计时。这个定时器作为整个系统的基本
的时间单元。

假设我不跑操作系统呢？　裸奔呢
延时 -> 可以用 SysTick 来实现

SysTick 定时器说明及寄存器设置: 《ARM Cortex M4 权威指南》

  It is integrated as a part of the NVIC and can generate the SysTick  
  exception (exception type #15). The SysTick timer is a simple decrement 24-bit  
  timer, and can run on processor clock frequency or from a reference clock frequency  
  (normally an on-chip clock source).

  它被内置于NVIC中，它能够产生一个SysTick异常（异常类型 #15）.这个SysTick定时器  
  是一个简单的24bits的递减定时器，它可以运行在处理器的时钟频率上，也可以运行在一个  
  外部的时钟频率上(通常在片上的时钟源)

  ……。

例子

基本定时器

TIM6, TIM7：

  • 只有时基单元
  • 无输入输出引脚
  • 计数器只有 16bits,而且只支持递增模式

通用定时器

TIM2~TIM5：

  • 16bits(TIM3,TIM4)或 32bits(TIM2,TIM5)计数器，可以配置为递增，递减，先递增后递减(0->N->0)的模式

  • 多达 4 个独立通道，可用于：

    • 输入捕获
    • 输出比较
    • PWM 生成(边沿或中心对齐模式)
    • 单脉冲模式输出

TIM9~TIM14：

  • 16bits 自动加载递增计数器

  • 2 个独立通道，可用于：

    • 输入捕获
    • 输出比较
    • PWM 生成(边沿或中心对齐模式)
    • 单脉冲模式输出

高级定时器

TIM1, TIM8：

  • 16bits 计数器，可以可以配置为递增，递减，先递增后递减(0->N->0)的模式

  • 多达 4 个独立通道，可用于：

    • 输入捕获
    • 输出比较
    • PWM 生成(边沿或中心对齐模式)
    • 单脉冲模式输出

“高级”
重复计数器(TIMx_RCR) : Repeation Counter Register
如果使用重复计数，则当计数器重复溢出的次数达到设定的
重复计数器的值 +1 时，才会产生溢出事件/中断。

如果不用重复计数器，在每次计数器溢出时都会产生事件/中断。
这个时候，和通用定时器没有区别。

....
信号处理方面有高级的地方...

看门狗 watch dog

单片机的独立看门狗（Independent Watchdog Timer，简称 IWDG）是一种用于监控和保护微控制器（MCU）系统的硬件组件。 它的主要功能是检测系统是否在正常工作，并在发现系统出现故障时自动进行复位操作，以确保系统的稳定性和可靠性。

本质：一个能够产生复位信号的计数器。

复位就是使 MCU 回到初始状态。对于单片机来说，开机的时候需要复位，以便使得 CPU 和其他功能部件处于一个正确的初始状态，并以此为起点开始工作，当出现死机的情况也应当对其进行复位，用以摆脱死机状态。

系统复位方式共有 5 种，分别为：

1、硬件复位。

2、WWGD 复位。

3、IWDG 复位。

4、软件复位。

5、低功耗复位。

独立看门狗复位：这种方式使用独立的看门狗来监控单片机系统的工作状态，当单片机工作异常时，看门狗会产生复位信号，将单片机系统复位。

特征：1、独立看门狗是一个递减计数器产生的复位。2、时钟信号是有独立 RC 振荡器产生。3、可以在待机和停止模式下运行。4、当看门狗被激活后，当递减为 0 是产生复位。

喂狗：如果在计数没减到 0 之前，重置计数器的值的话，那么就不会产生复位信号，这个动作我们称为。

作用：检测外界电磁干扰或硬件导致程序跑飞的问题。

工作原理

​image​

IWDG 有一个输入（时钟 LSI） ，为内部专门的 40Khz 低速时钟（LSI） 驱动 ，经过分频器进行预分频，分频为工作时钟，然后提供给递减计数器，当递减计数器减为 0 时产生复位信号。为递减计数器赋值的过程称为喂狗，喂狗的作用就是不产生复位信号。

实例

(1) 配置定时器的通道(输入/输出)引脚
		TIM通道引脚是由GPIO口来复用的
		1.1 RCC_AHB1... =>使能GPIO分组的时钟
		1.2 GPIO_Init   => 配置GPIO引脚的功能　　 AF: Alternate Function 复用功能
		1.3 选择GPIO口具体的复用功能
			GPIO_PinAFConfig
			void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, 
					uint16_t GPIO_PinSource, 
					uint8_t GPIO_AF);
				GPIOx: 指定具体的GPIO分组
				GPIO_PinSource:指定具体的GPIO引脚编号
				GPIO_AF: 指定具体的复用功能　
	
	(2) 定时器时基单元(Time Base Unit)配置
		1.1  RCC_APBx => 使能定时器的时钟
		1.2  TIM_TimeBaseInit  => 初始化定时器的时基单元
			void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, 
					TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct);
				TIMx: 指定要初始化的定时器，如:
							TIM1, TIM2,....
			
				TIM_TimeBaseInitStruct: 指向要初始化的结构体。
				
				typedef struct
				{
				  uint16_t TIM_Prescaler;       
						指定定时器的预分频
						TIM_CLK: 计数器(定时器)的时钟
					
						TIM_CLK = Fin(定时器的输入时钟频率)/ (TIM_Prescaler + 1)
					
						if APBx prescaler == 1 则:
							Fin = APBx BUS clock
						else
							Fin = APBx Bus clock * 2
						
						TIM13 在总线APB1上，
							APB1 prescaler == 4
							APB1 BUS clock = 168M/4 = 42M
						so
							Fin = 42M*2 = 84M

				  uint16_t TIM_CounterMode;    
							指定计数器模式(递增，递减，先递增后递减 ....)
							TIM_CounterMode_Up  递增 0 --> N
							TIM_CounterMode_Down 递减　N --> 0
								
										0 ---> N --> 0
										0 ---> n-1 -> 0
										0 ----> N + 1 --> 0
										有一点细微的区别，大家可以查看datasheet
							TIM_CounterMode_CenterAligned1 中心对齐模式1
							TIM_CounterMode_CenterAligned2 中心对齐模式2
							TIM_CounterMode_CenterAligned3 中心对齐模式3
				  
				  uint32_t TIM_Period;        
							指定自动加载的起始值。　N值，　定时器周期。
				  
				  uint16_t TIM_ClockDivision;   
							指定输入捕获阶段的数字滤波的采样频率，　分频值
							可以是如下值:
								TIM_CKD_DIV1  数字滤波采样频率=定时器频率　
								TIM_CKD_DIV2　数字滤波采样频率=定时器频率*2
								TIM_CKD_DIV4  数字滤波采样频率=定时器频率*4

				  uint8_t TIM_RepetitionCounter;  
							计数器溢出重复次数，只有高级定时器TIM1和TIM8才有。
							计数器溢出重复次数是指只当把“计数器”溢出的次数=重复的次数时
								才会产生一个定时器的溢出中断。

				} TIM_TimeBaseInitTypeDef; 

	(3) 定时器输出通道/输入通道配置
		(3.1) TIM_OC1Init:
				Output Channel 1：　输出通道1
			void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, 
					TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
				TIMx: 指定定时器，如: TIM1, TIM2, ...
				TIM_OCInitStruct: 指向OC1的初始化结构体
					typedef struct
					{
					  uint16_t TIM_OCMode;     
							指定输出通道的模式
							TIM_OCMode_Timing               
								输出比较寄存器(TIMx_CCRn)与计数器(TIMx_CNT)的比较不影响输出
						
							TIM_OCMode_Active               
								当TIMx_CNT = TIMx_CCRn时，输出高电平						
						
							TIM_OCMode_Inactive             
								当TIMx_CNT = TIMx_CCRn时，输出低电平
						
							TIM_OCMode_Toggle                
								toggle:翻转
								当TIMx_CNT = TIMx_CCRn时，翻转电平
						
							TIM_OCMode_PWM1             
								当TIMx_CNT < TIMx_CCRn时，　输出高电平
								否则，输出低电平
						
							TIM_OCMode_PWM2   
								当TIMx_CNT < TIMx_CCRn时，　输出低电平
								否则，输出高电平
						
					  
					  
					  uint16_t TIM_OutputState;   
							输出信号 状态(enable/disable)
							TIM_OutputState_Disable 不输出信号
							TIM_OutputState_Enable  输出信号
						
										  
					  
					  uint16_t TIM_OutputNState;  
							互补输出信号的　状态(enable/disable)
							"互补输出信号" 只针对高级定时器 TIM1, TIM8
							TIM_OutputNState_Disable 不输出互补信号
							TIM_OutputNState_Enable 　输出互补信号
					  
					  
					  uint32_t TIM_Pulse;       
							指定要比较的值
			
					  uint16_t TIM_OCPolarity;   
						Polarity：　极性
							指定输出极性
						TIM_OCPolarity_High: 高电平为有效电平
						TIM_OCPolarity_Low: 低电平有效电平
					  
					  uint16_t TIM_OCNPolarity;   
							指定互补输出信号的极性，仅针对TIM1,TIM8
					  
					  
					  uint16_t TIM_OCIdleState;   
							Idle: 空闲。
							输出引脚在空闲状态的输出，仅针对TIM1和TIM8
					  
					  
					  
					  uint16_t TIM_OCNIdleState;  
							互补输出引脚在空闲状态的输出，仅针对TIM1和TIM8

					  } TIM_OCInitTypeDef;




		(3.2)	使能/禁止预装载 
			TIM_OC1PreloadConfig
		void TIM_OC1PreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload);
					TIM_OCPreload: 
							TIM_OCPreload_Enable　每次自动加载比较寄存器的值
							TIM_OCPreload_Disable	不自动加载比较寄存器的值
			是否使能　每次自动加载比较寄存器
		
		
	(4) 定时器使能
		(4.1) 使能自动加载 ARR,计数值
			void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);
				TIMx:指定定时器，如:TIM1, TIM2,...
				NewState:
						ENABLE
						DISABLE
	
		(4.2) TIM_Cmd
	
			void TIM_Cmd(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);
				TIMx:指定定时器，如:TIM1, TIM2,...
				NewState:
						ENABLE
						DISABLE

‍

  1. 例子

    假设一个定时器 TIM 的时钟频率为 f, (1/f)s 它就会振动一次
    设定的计数值为 N,按照递减的方式来计数

    			每隔　(1/f)s 就会 -1

				N -> N-1  (1/f)s  
				N-1 -> N-2 (1/f)s  
				...

			N -> 0 => (N+1) * (1/f) s

		到0,产生一个中断，  
			时间为: (N+1) * (1/f) s

			=>就可以达到“定时”功能。

		－－－－－－  
		假设：  
			一个定时器的时钟频率为 8M HZ, 1s之后，  
			我有一个非常重要的事情，请到时通知我，  
			该如何设置这个定时器？

			f = 8M Hz  
			T = (1/f)s = (1/8M) s = (1/8) us

			N =?  
				N * (1/8M)s = 1s  
				=> N = 8000000  
					N = 8000000 - 1 = 799999

	Time Base Unit 核心部件就是一个“计数器”，该“计数器”  
	内部有三个寄存器：  
		TIMx_ARR: Auto Reload Register 自动加载寄存器　<- N  
		TIMx_CNT: Counter 计数器  
		TIMx_PSC: PreSCaler 时钟预分频

		“溢出事件/中断”  
			　单向递增 0 -> N  => 产生溢出事件/中断  
			　单向递减 N -> 0  => 产生溢出事件/中断

  2. Systick 系统定时器

    概述

    定时器是 STM32 中非常常用的一个外设，对于 STM32 来说，提供多种定时器供用户使用，比如高级定时器、通用定时器、基本定时器在使用时比较繁琐，所以内核就提供一款定时器，叫做系统定时器，也被称为 Systick 定时器（嘀嗒定时器）。

    Systick 定时器是属于内核中的一个外设，内嵌在 NVIC 中，在 Cortex M3/M4 内核中都存在，方便用户在使用不同类型的芯片的时候进行移植。

    ​image​

    Systick 定时器是一个 24bit 的倒计时（向下计数）定时器，功能就是实现简单的延时。

    • 裸机模式：提供简单的延时 实现微秒、毫秒级别的延时 闹钟、秒表、洗衣机、微波炉。

    • 操作系统：提供给操作系统一个稳定的时基，因为操作系统的架构是并行的。

    系统定时器的时钟源

    Systick 定时器有两个时钟源可以选择，可以选择内部时钟（168MHZ），或者外部时钟（8 分频之后的系统时钟 168MHZ/8 = 21MHZ）。

    选择不同的时钟源会影响延时时间的长短

    如果选择 168MHZ 作为 Systick 定时器的时钟源：2^24-1 最大延时时间为 99.86ms

    1s （1000000us）振荡 168000000 次,振荡 1 次的周期是 1/168us，也就是振荡 168 次花费 1us

    如果选择 21MHZ 作为 Systick 定时器的时钟源：2^24-1 最大延时时间为 798.9ms

    1s （1000000us）振荡 21000000 次,振荡 1 次的周期是 1/21us，也就是振荡 21 次花费 1us

    ​image​

    ​image​

    内核中提供了一个函数接口可修改 Systick 的时钟源，函数 SysTick_CLKSourceConfig()​

    /**
  * @brief  Configures the SysTick clock source.
  * @param  SysTick_CLKSource: specifies the SysTick clock source.
  *   This parameter can be one of the following values:
  *     @arg SysTick_CLKSource_HCLK_Div8: AHB clock divided by 8 selected as SysTick clock source.
  *     @arg SysTick_CLKSource_HCLK: AHB clock selected as SysTick clock source.
  * @retval None
  */
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource);

函数原型
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)

函数参数
参数一：SysTick_CLKSource	选择时钟源  一般选SysTick_CLKSource_HCLK_Div8   21MHZ

    Systick 定时器的应用

    内核提供两种方案来使用 systick 定时器，分别是 中断方式 + 非中断方式

    • 中断方式

      ​image​

      1. 设置 Systick 定时器的中断周期

        ​image​

      2. 编写延时函数

        ​image​

    • 非中断方式

      直接操作 Systick 定时器的 4 个寄存器

      ​image​

      ​image​

      ​image​

    ‍ ↩

  • STM32

    STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex®-M0，M0+，M3, M4 和 M7 内核。按内核架构分为不同产品： 主流产品（STM32F0、STM32F1、STM32F3）、超低功耗产品（STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+）、高性能产品（STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7）

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