代码收藏家技术教程 2024-09-02

STM32系统定时器Systick详解

STM32系统定时器SysTick是一个内置于Cortex-M系列微控制器内核中的简单而有效的系统定时器，它为操作系统提供时间基准，或用于生成周期性的中断。以下是对STM32系统定时器SysTick的详细讲解：

一、基本概念

SysTick，全称System Tick Timer，是一个24位（在某些STM32型号中可能为32位，但常用于计数的有效位数为24位）的自动重载递减计数器。当SysTick计数到0时，如果使能了中断，则会产生一个SysTick中断请求，同时计数器会根据预设的值自动重载，并继续递减计数，从而实现周期性的定时功能。

二、工作原理

时钟源选择：SysTick定时器的时钟源通常是系统时钟（SYSCLK），也可以是系统时钟的1/8（具体取决于配置）。这使得SysTick定时器能够提供与系统时钟相关的精确定时功能。
计数器配置：SysTick定时器使用一个24位的自动递减计数器进行计时。在初始化时，需要设置计数器的初始值（重装载值），这决定了定时器开始计数的起点。
计数器递减：SysTick定时器的计数器从初始值开始递减，每个时钟周期减少一个计数值，直到计数器减至零。
中断或事件触发：当计数器减至零时，可以选择触发一个中断或一个事件。中断触发会生成一个中断请求，CPU会相应地跳转到SysTick中断处理程序执行特定的操作。事件触发则可以用于与其他外设或模块进行同步操作。
重载计数器：当计数器减至零后，如果使能了自动重载功能，则计数器的值会自动被重装载为预设的初始值，从而允许定时器继续下一个周期的计数。

三、寄存器介绍

SysTick定时器涉及的主要寄存器包括：

SysTick 控制和状态寄存器（CTRL）：用于配置SysTick定时器的工作模式、使能定时器和中断，并提供定时器当前状态的查询功能。
SysTick 重装载值寄存器（LOAD）：用于设置SysTick定时器的重装载值，即定时器计数器的初始值。
SysTick 当前值寄存器（VAL）：用于读取或写入当前SysTick定时器的计数器值。在读取时返回当前计数器的剩余值，在写入时清零计数器的值。
SysTick 校准值寄存器（CALIB）：用于读取SysTick定时器的校准值，包括重装载值（TENMS）和时钟源的准确度（SKEW、NOREF），用于校准定时器的溢出时间。

四、使用场景

SysTick定时器因其简单性和内置性，在STM32微控制器中得到了广泛应用，主要包括：

实现延时函数：通过配置SysTick定时器的重装载值和使能中断，可以实现毫秒级甚至微秒级的延时功能。
系统时钟节拍：在实时操作系统（RTOS）中，SysTick定时器通常用作系统的节拍定时器，用于调度任务的执行和维持操作系统的心跳。
定时任务调度：通过SysTick定时器中断，可以在特定时间间隔内执行一些周期性的任务或操作。
时间测量：SysTick定时器还可以用于程序执行时间的测量，帮助开发者优化代码。

五、配置步骤

要配置STM32的SysTick定时器，通常需要执行以下步骤：

选择时钟源：通过SysTick控制和状态寄存器（CTRL）选择SysTick定时器的时钟源。
设置重装载值：将所需的定时时间转换为对应的重装载值，并写入SysTick重装载值寄存器（LOAD）。
使能SysTick定时器：通过SysTick控制和状态寄存器（CTRL）使能SysTick定时器。
（可选）使能中断：如果需要SysTick定时器在计数到0时产生中断，则通过SysTick控制和状态寄存器（CTRL）使能中断。
编写中断服务程序：如果使能了中断，则需要编写SysTick中断服务程序，以处理定时器中断触发时需要执行的任务。

STM32的SysTick定时器与通用定时器（General Purpose Timer）在功能和应用上存在一些异同点。以下是它们的详细比较：

相同点

定时功能：两者都具备定时功能，能够按照预设的时间间隔执行特定的操作或任务。
中断支持：SysTick定时器和通用定时器都支持中断功能，当定时时间到达时，可以产生中断请求，CPU会跳转到相应的中断服务程序执行操作。
时钟源选择：它们都可以选择不同的时钟源进行计时，尽管SysTick定时器的时钟源选择相对有限，通常为系统时钟或系统时钟的1/8，而通用定时器则更为灵活。

不同点

内置与外设：
SysTick定时器：是Cortex-M系列微控制器内核中的一个内置系统定时器，不需要额外的硬件资源，使用简单方便。
通用定时器：是STM32微控制器中的一个外设，具有更多的硬件资源和功能，如外部IO接口、输入捕获、输出比较、PWM生成等。
精度与范围：
SysTick定时器：通常是24位（或32位，但常用为24位）递减计数器，适用于较短时间间隔的定时需求。
通用定时器：通常为16位自动重装载计数器，支持向上、向下或向上/向下计数模式，适用于更广泛的定时范围和控制需求。
功能丰富性：
SysTick定时器：功能相对简单，主要用于系统节拍、延时函数和时间测量等。
通用定时器：功能丰富，除了基本的定时功能外，还支持输入捕获、输出比较、PWM生成等多种功能，适用于电机控制、测量系统、定时任务等多种应用场景。
配置与灵活性：
SysTick定时器：配置相对简单，主要通过控制和状态寄存器进行配置，适合用于系统级别的定时需求。
通用定时器：配置更为复杂和灵活，需要配置多个寄存器以实现不同的功能，如预分频器、计数器、自动重装载寄存器等，适用于需要精确控制和多种功能的场景。
应用场景：
SysTick定时器：更适用于系统层面的定时需求，如操作系统的心跳、任务调度等。
通用定时器：则更适用于需要精确控制和多种功能的场景，如电机控制、PWM信号生成、传感器数据采集等。

综上所述，STM32的SysTick定时器和通用定时器在功能和应用上各有侧重。SysTick定时器作为内核内置的系统定时器，具有简单、方便的特点，适用于系统层面的定时需求；

而通用定时器则以其丰富的功能和灵活性，在多种应用场景中发挥着重要作用。在选择使用哪种定时器时，需要根据具体的应用场景和需求来进行选择。

在STM32（以及许多基于ARM Cortex-M核心的微控制器）的编程环境中，SysTick_Type 结构体通常用于表示SysTick定时器的硬件寄存器映射。这个结构体并不是STM32 HAL库或标准外设库直接提供的标准部分，但它反映了SysTick定时器在硬件层面的寄存器布局，使得开发者可以通过访问这些寄存器来配置和控制SysTick定时器。

下面是对 SysTick_Type 结构体中各个成员的详细讲解：

成员变量

__IO uint32_t CTRL;

描述：SysTick 控制和状态寄存器（Control and Status Register）。

访问权限：__IO 表示这个寄存器既可以被读取（Input）也可以被写入（Output）。

用途：用于配置SysTick定时器的工作模式（如使能定时器、选择时钟源、使能中断等）以及查询定时器的状态（如计数是否到达0）。

偏移地址：0x00 表示这个寄存器在SysTick定时器内存映射中的起始地址。

__IO uint32_t LOAD;

描述：SysTick 重装载值寄存器（Reload Value Register）。

访问权限：同样为 __IO，即可读可写。

用途：用于设置SysTick定时器计数器的初始值（重装载值）。当计数器从0递减到0时，如果使能了自动重载功能，则计数器的值会自动被设置为这个寄存器中的值，从而允许定时器继续下一个周期的计数。

偏移地址：0x04 表示这个寄存器在SysTick定时器内存映射中的地址。

__IO uint32_t VAL;

描述：SysTick 当前值寄存器（Current Value Register）。

访问权限：__IO，即可读可写（尽管在实际使用中，写入此寄存器主要用于清零计数器）。

用途：用于读取当前SysTick定时器的计数器值，或者通过写入0来清零计数器（注意，直接写入其他值的行为是未定义的）。

偏移地址：0x08。

__I uint32_t CALIB;

描述：SysTick 校准寄存器（Calibration Register）。

访问权限：__I 表示这个寄存器是只读的。

用途：提供了SysTick定时器的校准值，包括重装载值（TENMS）和时钟源的准确度（SKEW、NOREF），用于校准定时器的溢出时间。这些值可以帮助开发者更准确地配置SysTick定时器，以适应不同的系统时钟频率和精度要求。

偏移地址：0x0C。

注意事项

在实际编程中，SysTick_Type 结构体可能不是直接使用的，因为STM32的HAL库或标准外设库通常会提供更高层次的抽象来封装SysTick定时器的配置和控制。然而，了解这个结构体的成员和它们对应的硬件寄存器对于深入理解SysTick定时器的工作原理和进行底层编程是非常有帮助的。

访问这些寄存器时，需要确保使用了正确的内存映射地址。在STM32中，这些地址通常在微控制器的参考手册或数据手册中给出。

这个函数 SysTick_Config 是一个用于配置SysTick定时器的静态内联（inline）函数。内联函数通常用于优化代码，通过直接在调用点展开函数体来减少函数调用的开销。这个函数接受一个参数 ticks，表示SysTick定时器溢出前需要计数的周期数（或称为重装载值），并返回配置是否成功的状态。下面是对这个函数各部分的详细讲解：

参数

uint32_t ticks：这是SysTick定时器溢出前需要计数的周期数。它决定了定时器的溢出时间，具体取决于系统时钟的频率。

函数体

检查重装载值是否可能：

if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) return (1); /* Reload value impossible */

这行代码检查传入的 ticks 值是否超过了SysTick重装载寄存器能够表示的最大值。SysTick_LOAD_RELOAD_Msk 是一个宏定义，表示重装载寄存器中有效位的掩码。如果 ticks 超过了这个值，函数返回 1 表示配置失败。
设置重装载寄存器：

SysTick->LOAD = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1; /* set reload register */

这行代码首先将 ticks 与 SysTick_LOAD_RELOAD_Msk 进行按位与操作，以确保重装载值不会超出寄存器的有效位范围。然后，将结果减 1 并写入SysTick的重装载寄存器（SysTick->LOAD）。这是因为SysTick是一个递减计数器，当计数器从 1 递减到 0 时，会发生溢出（或称为更新事件），此时如果使能了中断，则会产生SysTick中断。
设置SysTick中断优先级：

NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1); /* set Priority for Cortex-M0 System Interrupts */

这行代码使用 NVIC_SetPriority 函数设置SysTick中断的优先级。SysTick_IRQn 是SysTick中断的编号，(1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1 通常用于将SysTick中断的优先级设置为最低（在Cortex-M系列微控制器中，优先级数值越大，优先级越低）。注意，这里的实现可能因不同的STM32型号和库版本而有所不同。
清零当前值寄存器：

SysTick->VAL = 0; /* Load the SysTick Counter Value */

这行代码将SysTick的当前值寄存器（SysTick->VAL）清零。这通常是在配置完重装载寄存器之后进行的，以确保定时器从 0 开始计数。
使能SysTick定时器和中断：

SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |

SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */

这行代码通过写入SysTick的控制和状态寄存器（SysTick->CTRL）来使能SysTick定时器和中断。SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk 用于选择SysTick的时钟源（通常是系统时钟或系统时钟的1/8），SysTick_CTRL_TICKINT_Msk 用于使能SysTick中断，SysTick_CTRL_ENABLE_Msk 用于使能SysTick定时器。
返回成功状态：

return (0); /* Function successful */

如果函数成功执行到这一步，说明SysTick定时器已经成功配置，函数返回 0 表示成功。

注意事项

这个函数假设了SysTick的时钟源已经配置好，并且没有在这个函数内部进行配置。

不同的STM32型号和库版本可能会有不同的宏定义和函数实现，因此在具体使用时需要参考相应的文档。

在某些情况下，可能需要禁用全局中断（使用 __disable_irq()）来保护SysTick的配置过程，以防止在配置过程中发生中断。然而，在这个特定的函数实现中并没有这样做。

实现使用系统定时器延迟的功能

主函数与被调用函数

#include "stm32f10x.h"  // 包含STM32F10x系列微控制器的标准外设库头文件   
#include "systick.h"    // SysTick定时器的头文件（假设此文件包含SysTick_Config等函数的声明）  
#include "led.h"        // LED操作的头文件  
  

  
int main(){  
    // 初始化LED相关的GPIO端口  
    LED_Init();  
    // 初始时将LED对应的GPIO端口设置为高电平，即LED熄灭（假设低电平点亮）  
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);  
      
    while(1)  
    {  
        // 将LED对应的GPIO端口设置为低电平，点亮LED  
        GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);  
        // 使用ms_delay函数实现500毫秒延时  
        ms_delay(500);  
        // 将LED对应的GPIO端口设置为高电平，熄灭LED  
        GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);  
        // 再次使用ms_delay函数实现500毫秒延时  
        ms_delay(500);  
    }  
  
 }
  
    // ms_delay和us_delay函数的实现，用于实现毫秒和微秒级别的延时  
    // 注意：这些函数通过配置SysTick定时器来实现精确的延时  
  
    // ms_delay函数，使用SysTick定时器实现毫秒级延时  
    void ms_delay(uint32_t ms)  
    {  
        uint32_t i;  
          
        // 配置SysTick定时器，以72MHz的时钟频率，重装载值为72000-1，实现大约1ms的定时器中断  
        // 注意：这里直接调用SysTick_Config可能会影响之前SysTick的配置（如果有的话）  
        SysTick_Config(72000);  
        // 等待指定的毫秒数  
        for(i=0;i<ms;i++)  
        {  
            // 等待SysTick计数器计满（即SysTick中断发生），此时SysTick->CTRL的BIT16会被置位  
            while(!((SysTick->CTRL)&(1<<16)));  
        }  
        // 禁用SysTick定时器  
        SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  
    }  
  
    // us_delay函数，使用SysTick定时器实现微秒级延时  
    // 注意：由于SysTick的分辨率和精度限制，微秒级延时可能不够精确  
    void us_delay(uint32_t us)  
    {  
        uint32_t i;  
          
        // 配置SysTick定时器，以72MHz的时钟频率，重装载值为72-1，理论上实现大约1微秒的定时器中断  
        // 但由于中断处理和其他系统延迟，实际延时可能会更长  
        SysTick_Config(72);  
        // 等待指定的微秒数  
        for(i=0;i<us;i++)  
        {  
            // 等待SysTick计数器计满  
            while(!((SysTick->CTRL)&(1<<16)));  
        }  
        // 禁用SysTick定时器  
        SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  
    }  
  
   
}

当然可以，让我们详细讲解一下在STM32F10x系列微控制器中，如何使用系统定时器（SysTick）来实现延时功能，以及所调用的函数（如SysTick_Config和自定义的ms_delay、us_delay）是如何工作的，同时解释各种参数的含义。

SysTick定时器

SysTick是Cortex-M内核提供的一个24位的系统定时器，它可以从任何系统时钟源（通常是核心时钟）获取时钟信号，并在计数值达到某个预设的重装载值（RELOAD value）时产生一个中断。SysTick定时器非常适合用于实现操作系统的时间片、软件延时等功能。

SysTick_Config函数

SysTick_Config函数是STM32标准外设库（或HAL库）中用于配置SysTick定时器的函数。它的原型通常如下（具体参数可能因库版本而异）：

uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks);

参数：ticks 是SysTick定时器的重装载值。这个值决定了定时器溢出的时间间隔。由于SysTick是一个递减的定时器，它从某个值开始递减到0，然后产生中断（如果使能了中断）并可选地自动重载这个值继续计数。

返回值：函数返回一个状态码，通常用于指示配置是否成功。但在某些库中，这个函数可能没有返回值，或者返回值被忽略了。

重装载值的计算

要计算ticks参数的值，你需要知道SysTick定时器所使用的时钟源频率。在STM32F10x中，SysTick通常从系统时钟（SYSCLK）获取时钟信号，其频率可以通过PLL、HSI等时钟源进行配置。假设系统时钟频率为72MHz，则SysTick定时器的时钟频率也是72MHz。

要获得1毫秒的延时，你需要将SysTick的时钟频率（72,000,000 Hz）除以1,000（毫秒到秒的转换），然后取整（因为SysTick是整数计数器）。但是，由于SysTick是递减的，并且我们在它到达0时计数完成，所以实际上你需要计算的是从某个大于0的值递减到0所需的时间。因此，对于1毫秒的延时，重装载值通常是72000000 / 1000 - 1 = 71999，但为了简化计算（因为SysTick是24位的，所以最大值接近65536），并且考虑到精度要求，通常会选择一个接近但稍小一点的数，如72000（这会导致延时稍长一点，因为计数器会多减1次才到达0）。

不容易理解的地方：

在STM32或其他基于ARM Cortex-M的微控制器中，SysTick->CTRL 是一个指向SysTick控制寄存器的指针，它用于配置和控制SysTick定时器的行为。SysTick_CTRL_ENABLE_Msk 通常是一个宏定义，它代表了SysTick控制寄存器中用于启用或禁用SysTick定时器的位掩码（Mask）。

SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

这行代码的作用是将SysTick定时器禁用。让我们分解这行代码以更好地理解它的工作原理：

SysTick_CTRL_ENABLE_Msk：这是一个宏定义，其值通常是SysTick控制寄存器中启用/禁用位（ENABLE位）的位掩码。在STM32中，这个位通常是最低位（位0），因此SysTick_CTRL_ENABLE_Msk可能被定义为1UL（或0x01，表示一个无符号长整型值，其中最低位被设置为1）。这个宏的确切值取决于具体的库和微控制器型号，但大多数ARM Cortex-M的SysTick定时器都遵循类似的布局。
~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk：这是位取反操作。由于SysTick_CTRL_ENABLE_Msk是一个只有最低位被设置为1的掩码，对它进行取反操作会创建一个除了最低位外所有位都被设置为1的掩码。这个掩码在后续的操作中用于清除（即禁用）SysTick控制寄存器中的ENABLE位。
SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;：这行代码首先将SysTick->CTRL（即SysTick控制寄存器的当前值）与~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk（一个除了ENABLE位外所有位都为1的掩码）进行按位与（AND）操作。由于按位与操作会保留两个操作数中对应位都为1的位，而将任何与0进行按位与的位清零，因此这个操作实际上会清除（即将值设置为0）SysTick控制寄存器中的ENABLE位，而保留其他所有位的当前值。这样做的结果就是禁用了SysTick定时器。