STM32 MCU 定时器详解（1）--基本定时器-Toy模板网

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一、定时器概述

定时器是一种电子组件，主要用于定时控制，具备精确计时的能力。它可以在设定的时间间隔内触发特定的操作，如发送数据、采集传感器信息、检测输入信号或产生规律性输出波形。这种灵活性使定时器在多个行业中得到广泛应用，支持各种复杂功能的实现，是现代电子系统中不可或缺的一部分。

1.1 定时原理

首先，时钟信号（CLK）输入到预分频器（PSC），在此降低频率以适应不同的定时需求。降频后的时钟信号送入定时器时钟（TIM CLK），再驱动计数器（CNT）。计数器根据自动重装载寄存器（ARR）设定的值进行计数，一旦计数值达到ARR设定的值，定时器便完成一个周期，产生中断或其他预设的定时事件，如输出比较信号或重置计数器。通过调整PSC和ARR的值，可以精确控制定时周期和定时器的输出
mcu的计时器clk来自哪,单片机,stm32,嵌入式硬件

1.2 定时器分类

定时器分为基本定时器、通用定时器和高级定时器，每个类型的定时器功能上都有区别，具体见下面的表格。
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在STM32F103系列中，每个定时器的特性如下表。

二、基本定时器工作原理

STM32F103有两个基本定时器TIM6和TIM7，它们的功能完全相同，资源是完全独立的，可以同时使用。其主要特性如下：16位自动重载递增计数器，16位可编程预分频器，预分频系数1～65536，用于对计数器时钟进行分频，还可以触发DAC的同步电路，以及生成中断/DMA请求。

2.1 基本定时器框图

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时钟源
定时器的计数能力依赖于提供给它的时钟源。这个时钟源起始于APB1总线，但并非直接供应，二十通过倍频器调节。当APB1总线的预分频器设置为1时，倍频器系数也是1，因此定时器的时钟频率与APB1总线相同。若APB1预分频器系数大于等于2，倍频器系数成为2，定时器时钟频率便是APB1总线频率的两倍。考虑到在sys_stm32_clock_init函数中APB1总线被设置为36MHz，并且预分频器的分频系数是2，挂在APB1总线上的定时器的时钟频率将是72MHz。
控制器
控制器除了控制定时器复位、使能、计数等功能之外，还可以用于触发DAC转换。
时基单元
时基单元包括：计数器寄存器（TIMx_CNT）、预分频寄存器（TIMx_PSC）、自动重载寄存器（TIMx_ARR）。基本定时器的这三个寄存器都是16位雨哦小数字，即可设置的范围是0～65535.
时间单元中的预分频器PSC，它有一个输入和一个输出。输入CK_PSC来源于控制器部分，实际上就是来自于内部时钟（CK_INT），即2倍的APB1总线时钟频率（72MHz）。输出CK_CNT是分频后的时钟，它是计数器实际的计数时钟，通过设置预分频器寄存器（TIMx_PSC）的值可以得到不同频率CK_INT，计算公式如下：
$f_{CK_CNT} = f_{CK_PSC} / (PSC[15:0] + 1)$
PSC[15:0]是写入预分频器寄存器（TIMx_PSC）的值。注意：预分频器寄存器（TIMx_PSC）可以载运行过程中修改它的值，新的预分频数值将在下一个更新事件时起作用。因为更新事件发生时，会把TIMx_PSC寄存器值更新到其影子寄存器（间接更新，确保稳定）中。

2.2 更新事件

软件产生
将TIMx_EGR寄存器的位UG置1，产生更新事件后，硬件会自动将UG位清零。
硬件产生
基本定时器的核心是一个递增计数器（CNT）。启动定时器的条件是TIMx_CR1寄存器的GEN位被置为1。此后，每个CK_CNT时钟脉冲都会使CNT寄存器的值增加1。当CNT的值增加至自动重载寄存器（ARR）相等时，CNT会自动清零，并触发一个更新事件。这可能导致DMA请求产生中断或触发其他同步操作。每次CNT清零后，它会在接收到下一个脉冲时再次递增，循环继续。计时器的这种计数溢出行为，即CNT等于ARR时自动的清零，被称为定时器溢出或上溢。

2.3 定时器计数模式

定时器计数模式主要有三种：递增计数模式、递减计数模式、中心对齐模式，每种模式的溢出条件如下：
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各计数模式的工作示意图如下：

递增计数模式
计数器从0开始，向上递增至ARR（自动重载寄存器）值然后溢出，触发更新事件后重新从0开始计数。
递减计数模式
计数器从ARR值开始，向下递减至0然后溢出，触发更新事件后重新从ARR值开始计数。
中心对齐模式
计数器从0开始向上递增至ARR值，然后改为向下计数至0，循环往复。

2.4 溢出事件计算方式

$T_{out} = \frac{(ARR + 1) * (PSC + 1)}{F_{t}}$

T_out是定时器溢出时间
F_t是定时器的时钟源频率
ARR是自动重装载寄存器的值
PSC是预分频器寄存器的值

2.5 定时器配置步骤

配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_Base_Init()
定时器基础MSP初始化：HAL_TIM_Base_MspInit(). 配置NVIC、CLOCK
使能更新中断并启动计数器：HAL_TIM_Base_Start_IT()
设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、HAL_NVIC_EnableIRQ()
编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler()
编写定时器更新中断回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()

三、程序示例

头文件定义如下：

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"

/******************************************************************************************/
/* 基本定时器 定义 */

/* TIMX 中断定义 
 * 默认是针对TIM6/TIM7
 * 注意: 通过修改这4个宏定义,可以支持TIM1~TIM8任意一个定时器.
 */
 
#define BTIM_TIMX_INT                       TIM6
#define BTIM_TIMX_INT_IRQn                  TIM6_DAC_IRQn
#define BTIM_TIMX_INT_IRQHandler            TIM6_DAC_IRQHandler
#define BTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM6_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* TIM6 时钟使能 */

/******************************************************************************************/

void btim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);    /* 基本定时器 定时中断初始化函数 */

定时器源文件代码如下：

#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/TIMER/btim.h"


TIM_HandleTypeDef g_timx_handle;  /* 定时器句柄 */

/**
 * @brief       基本定时器TIMX定时中断初始化函数
 * @note
 *              基本定时器的时钟来自APB1,当PPRE1 ≥ 2分频的时候
 *              基本定时器的时钟为APB1时钟的2倍, 而APB1为36M, 所以定时器时钟 = 72Mhz
 *              定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.
 *              Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
 *
 * @param       arr: 自动重装值。
 * @param       psc: 时钟预分频数
 * @retval      无
 */
void btim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    g_timx_handle.Instance = BTIM_TIMX_INT;                      /* 通用定时器X */
    g_timx_handle.Init.Prescaler = psc;                          /* 设置预分频系数 */
    g_timx_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;         /* 递增计数模式 */
    g_timx_handle.Init.Period = arr;                             /* 自动装载值 */
    HAL_TIM_Base_Init(&g_timx_handle);

    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_timx_handle);    /* 使能定时器x及其更新中断 */
}

/**
 * @brief       定时器底层驱动，开启时钟，设置中断优先级
                此函数会被HAL_TIM_Base_Init()函数调用
 * @param       htim:定时器句柄
 * @retval      无
 */
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == BTIM_TIMX_INT)
    {
        BTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE();                     /* 使能TIM时钟 */
        HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIMX_INT_IRQn, 1, 3); /* 抢占1，子优先级3，组2 */
        HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIMX_INT_IRQn);         /* 开启ITM3中断 */
    }
}

/**
 * @brief       定时器TIMX中断服务函数
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void BTIM_TIMX_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&g_timx_handle); /* 定时器中断公共处理函数 */
}

/**
 * @brief       定时器更新中断回调函数
 * @param       htim:定时器句柄
 * @retval      无
 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == BTIM_TIMX_INT)
    {
        LED1_TOGGLE(); /* LED1反转 */
    }
}

主函数代码如下：

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/TIMER/btim.h"


int main(void)
{
    HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                         /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                     /* 串口初始化为115200 */
    led_init();                             /* 初始化LED */
    btim_timx_int_init(5000 - 1, 7200 - 1); /* 10Khz的计数频率，计数5K次为500ms */

    while (1)
    {
        LED0_TOGGLE();
        delay_ms(200);
    }
}