物联网BLE裸机程序开发 -- （6）nRF52840配置定时器和计数器
nRF52840配置定时器和计数器
几乎所有的单片机都有定时器或计数器这种外设，可以用来进行定时，高精度延时，计数等等，在大多数领域都能用到定时器功能。
定时器在处理器里面，是单独于CPU运行的一个硬件外围设备，通俗来说，就是把定时器配置好之后，定时器的加计数或减计数不需要CPU进行参与，并且可以通过软件控制，让定时器在合适的条件下产生中断，使用起来很灵活方便。
Nordic nRF52840芯片有5个32位的Timer外设，这些Timer外设可以工作在定时器模式或计数器模式，并且可以设置Timer的时钟频率和位宽。
先来了解一下定时器和计数器的区别：
定时器主要是通过对一个周期不变的系统时钟进行脉冲计数，每来一个时钟脉冲，定时器就进行计数一次，同时在定时器启动前，会预先设置一个比较值，当计数脉冲等于这个比较值的时候，说明定时的时间到了，如果设置了定时器中断，就会触发相应的中断事件。
计数器主要是对某一事件进行计数的，而不是对系统时钟脉冲进行计数。系统时钟脉冲计数是有规律的，但事件的发生没有规律，事件发生一次，计数器就计数一次，通过具体的计数值来反映事件的发生次数。
Timer外设的原理框图如下图所示：
从图中可以看出，Timer外设的时钟源主要来自PCLK1M或者PCLK16M，这两种时钟源是系统自动分配的，不需要用户编写程序去干预。主要是根据Timer需要的运行频率来配置，例如，当Timer需要的频率大于1MHz的时候，Timer模块就会为其分配PCLK16M作为时钟源，反之则使用PCLK1M作为时钟源。
Timer的时钟频率可以通过分频系数来进行设置，无论使用PCLK1M还是使用PCLK16M，Timer的时钟频率都是以16MHz进行计算。计算公式是：Ftimer = 16MHz / (2Pres)。其中，Pres是分频系数，取值范围是 0 – 9 。需要注意的是，在设置分频系数的时候，定时器需要处于停止运行的状态，否则可能会出现不可预知的后果。
Nordic的SDK提供了Timer外设的操作函数库，主要位于nrfx_timer.c这个文件里面，使用操作函数库，可以把Timer外设可以配置在定时器模式或者是计数器模式，以下分别用实验来验证这两种模式。
软件开发前准备：
开发板：Nordic官方开发板nRF52840-DK（PCA10056）
编译器：SEGGER Embedded Studio v4.22
SDK版本：nRF5_SDK_15.2.0_9412b96
定时器模式实验
1、在定时器模式下，应用程序需要设置定时器的捕获/比较寄存器的值，这个值就是需要定时的时间。定时器启动后，计数值会在每个时钟脉冲下进行累加计数，当计数值等于比较值的时候，定时时间到达，产生比较匹配事件，用户可以在比较事件的回调函数中进行任务处理。
2、我们基于前面构建的“005_log_debug”工程来进行软件开发。先复制一份工程，并重命名为“006_timer_test”，并且把Timer外设模块相关的源文件添加到工程，完成后打开工程，如下图所示。
3、新建一个timer.c和timer.h的文件，用来编写Timer外设的操作函数。头文件timer.h的内容如下图所示。
头文件的内容比较简单，主要是通过CURRENT_TEST_FUNC宏定义来进行两个实验的条件编译，分别是定时器实验和计数器实验。以及对一些可以被调用的外部函数进行声明。
4、在使用定时器库函数的时候，需要先定义一个库函数的实例，这个实例用来贯穿定时器的所有操作。定时器实例用nrfx_timer_t这个结构体来表示，这个结构体的内容，如下图所示。
结构体主要有3个成员变量，p_reg主要是指具体的Timer外设，范围是Timer0 – Timer4。instance_id主要是定时器对象的索引，这个索引是供SDK里面定时器驱动模块使用的。cc_channel_count主要用来表示该定时器的捕获/比较通道的数量。定时器的库函数里面，提供了NRF_DRV_TIMER_INSTANCE宏来进行初始化定时器实例，这个宏定义的输入参数id，表示定时器外设的编号，如id的值为0，则表示使用定时器0。
5、主要有三个可供外界调用的函数：定时器的初始化函数my_timer_init()，定时器的启动函数my_timer_start()，定时器的停止运行函数my_timer_stop()。这三个函数的实现，如下图所示。
6、初始化函数主要调用了nrf_drv_timer_init()函数来进行定时器初始化，这个函数实际上是调用了nrfx_timer_init()函数，nrfx_timer_init()函数的声明如下图所示。
这个函数主要有三个输入参数，p_instance主要是指向定时器实例，p_config主要是定时器的配置结构体，timer_event_handler主要是指定时器的事件回调函数。
7、定时器的配置结构体nrfx_timer_config_t，包含了定时器的所有配置参数，用户只需要设置定时器的时钟频率frequency，驱动程序会自动计算对应的分频系数，结构体的内容如下图所示。
对于这个结构体的默认参数配置，一般使用NRF_DRV_TIMER_DEFAULT_CONFIG宏进行，这个宏定义的一系列默认参数，可以在sdk_config.h配置文件中修改。对于一些用户想自定义的配置参数，可以先用该宏默认初始化一次，然后再根据某些参数进行细节修改，如初始化程序里面的timer_cfg.frequency = NRF_TIMER_FREQ_16MHz;
8、定时器的事件回调函数是在定时器初始化的时候，注册给驱动程序的，当某个定时器通道的计数值等于比较值的时候，就会触发定时事件，回调函数就会被调用，回调函数的实现，如下图所示。
定时器可以产生4个比较事件，在回调函数里面，对这些比较事件进行逐一处理。比较事件主要在nrf_timer_event_t中进行定义。
9、在完成一个定时器实例的初始化之后，这个定时器实例还不能运行，因为还没有进行定时时间的设置以及还没有进行比较通道的绑定。定时时间的设置主要对应定时器的滴答时钟数（ticks），定时器的ticks数量不需要我们进行手动计算，驱动程序已经提供了计算ticks的函数nrf_drv_timer_ms_to_ticks，这个函数的声明，如下图所示。
p_instance主要是指定时器的具体实例。time_ms主要是指需要定时器的时间，如需要定时器定时1000ms，则可以写成以下形式：nrf_drv_timer_ms_to_ticks(&my_timer,1000)。
10、完成定时器的定时值配置后，最后还需要进行通道绑定，指定使用哪个比较/捕获通道来进行定时计数，通道绑定可以使用nrf_drv_timer_extended_compare()进行，这个函数的声明如下图所示。
这个函数主要有5个输入参数，p_instance主要是指具体的定时器实例。cc_channel是指比较/捕获的通道号。cc_value是比较值。timer_short_mask是指快捷方式。enable_int是指开启或关闭比较中断。
快捷方式timer_short_mask主要有以下两个选项：
比较事件产生时停止定时器：这个主要用在定时器单次触发模式，定时器的定时时间到达后，就停止定时器运行。
比较事件产生时清零定时器：这个主要用在定时器的重复运行状态下，定时器的定时时间到达后，程序自动清零计数器，定时器重新反复运行。
11、完成以上定时器的配置操作后，定时器还没有开始运行，可以调用定时器的启动运行函数nrf_drv_timer_enable()，让定时器启动。如需关闭定时器的运行，可以调用定时器的关闭运行函数nrf_drv_timer_disable()。需要注意的是，定时器的关闭运行函数，是彻底关闭定时器的，而不是停止定时器，关闭定时器可以降低芯片的功耗。关闭定时器是指，下次启动的时候从零开始计数。停止定时器是指，下次启动的时候，从停止前的计数值开始计数。
12、以上代码就是Timer外设的定时器工作模式，代码编写完成后，还需要配置sdk_config.h文件，打开TIMER_ENABLED宏，如下图所示。
13、连接好开发板，点击“Debug->Go”或按F5，即可编译程序并且把程序下载到开发板运行。程序每隔一秒在终端打印出相应的信息，如下图所示。
计数器模式实验
14、在计数器模式下，同样需要定义一个Timer外设的实例对象，也需要一个计数器的初始化函数，初始化函数的实现，如下图所示。
在计数器的初始化函数里面，同样是使用了NRF_DRV_TIMER_DEFAULT_CONFIG宏进行参数初始化，然后把timer_cfg.mode修改为计数器模式。在计数器模式下，不需要绑定具体的比较/捕获通道。
15、由于在计数器模式下，不会产生比较事件，因此并不需要回调函数处理任务。但初始化函数的事件参数，不能设置为NULL，因此，我们可以提供一个空的回调函数，这个函数并不处理任何事情。如下图所示。
16、在计数器模式下，主要是触发计数任务来增加计数值的。触发计数任务，主要有以下两种方式：程序主动调用nrfx_timer_increment()函数，或者使用PPI（可编程外设互联）进行触发。在本实验中，主要是通过调用nrfx_timer_increment()函数进行触发计数。
17、nRF52840计数器的计数值，是保存在芯片内部的计数器中的，但并没有对外提供相应的寄存器供程序员读取。所以，要想读取计数器的计数值，只能通过芯片内部的比较/捕获寄存器进行操作。程序员可以通过nrfx_timer_capture()函数进行计数读取。
18、我们修改一下gpiote.c里面的按键输入事件处理函数，当用户每按下一次按键，就触发一次nrfx_timer_increment()函数，进行计数值加1，程序如下图所示。
19、在主函数里面，每隔两秒读取一次计数器的值，并打印出来。主函数的实现代码如下图所示。
20、连接好开发板，点击“Debug->Go”或按F5，即可编译程序并且把程序下载到开发板运行。用户每按一次按键，程序每隔两秒在终端打印出相应的信息，如下图所示。
21、源码下载链接：https://github.com/embediot/bluetooth_low_energy
