STM32使用内核System Tick定时器实现微秒延时

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在单片机的程序开发中，延时一般都会用到，在对延时精度要求不高的场合，一般使用软件延时实现，就是在一个循环中执行NOP空语句。如果要实现相对高精度的延时，可以考虑使用定时器。

这里以STM32F429I-DISCO为基础硬件，来讲解如何使用ARM单片机内核System Tick定时器实现相对高精度的微秒和毫秒延时。

STM32F429I-DISCO开发板的官方例程默认配置并开启System Tick定时器，默认的定时周期是1ms。STM32F429I-DISCO开发板使用8MHz的外部晶振，这里将开发板的单片机主频设置成168MHz，System Tick定时器的时钟源来自单片机主频，所以该定时器计数值每变化1，对应的时间为1/168微秒。这样定时器的计数值每变化168，对应时间即为1微秒。我们可以将要延时的微秒数t转成定时器的计数值n，当定时器的计数值变化n时，说明对应的延时时间已到。

这里需要注意的地方是定时器的定时周期是1ms，即1000us，到了1000us之后，定时器会自动重载并重新开始计数，所以为了尽量规避定时器溢出对延时精度可能造成的影响，这里以定时器周期的一半，即500us为一个延时周期p，来设计微秒延时函数vDelayUs()。

微秒延时函数的设计思路如下。

（1）根据要延时的微秒数t，计算500us延时周期的个数n，再得出剩余的微秒数r。

（2）先延时n个500us的延时周期，完成之后，再延时剩余的微秒数r。

程序代码实现如下。该延时函数使用时有以下一些注意事项。

• 如果需要将代码移植到其他的单片机，需要根据单片机定时器的实际设置情况，对应修改最上面的相关宏定义即可。

• 延时函数的一些初始化代码也会占用一定的执行时间，所以这里的延时也会有一定的误差，但是微秒延时的理论误差应该可以控制在1us以内。

• 在实际使用时，进行延时时尽量只调用该函数一次，尽量不要使用循环的方式多次调用该函数实现一些长延时，因为这样会累加函数本身初始化代码的执行时间，造成延时误差变大。

• 该函数也会被中断打断，所以中断的执行时间要尽量短，否则会加大这里的延时误差。

由于该函数只对定时器的VAL计数值寄存器进行读取，所以并不影响定时器本身的1ms中断定时功能，可以充分利用该定时器资源来实现较为精确的延时功能。

#include "stm32f4xx.h"             /* Cortex-M4 processor and core peripherals */
​
#define US_TICKS        168    // 每微秒的定时器计数值，需根据MCU工作主频修改，这里主频是168MHz
#define MAX_US_PER_PERIOD    (1000 / 2)  // 1个周期的最大微秒数，需根据System Tick周期修改，设置成System Tick周期的一半，防止微秒延时溢出造成不准确
#define MAX_TICKS_PER_PERIOD  (MAX_US_PER_PERIOD * US_TICKS)  // 1个周期的最大微秒数对应的定时器计数值
#define MAX_US_DELAY      4294967295    // uint32_t类型最大值
​
void vDelayUs(uint32_t p_dwUs)
{
  uint32_t l_dwReloadValue = SysTick->LOAD;
  uint32_t l_dwUsPeriodNum = p_dwUs / MAX_US_PER_PERIOD;
  uint32_t l_dwUsRemainTicks = (p_dwUs % MAX_US_PER_PERIOD) * US_TICKS;
  uint32_t l_dwDeltTicks = 0;
  uint32_t l_dwCurTicks, l_dwPreTicks, l_dwIntervalTicks, i;
​
  l_dwPreTicks = SysTick->VAL;
  for(i = 0; i < l_dwUsPeriodNum; i++)
  {
    while(1)
    {
      l_dwCurTicks = SysTick->VAL;
      // Cortex-M4的System Tick是向下计数的
      if(l_dwCurTicks <= l_dwPreTicks)
      {
        l_dwIntervalTicks = l_dwPreTicks - l_dwCurTicks + l_dwDeltTicks;
      }
      else
      {
        l_dwIntervalTicks = l_dwPreTicks + (l_dwReloadValue - l_dwCurTicks + 1) + l_dwDeltTicks;
      }
      if(MAX_TICKS_PER_PERIOD <= l_dwIntervalTicks)
      {
        l_dwPreTicks = SysTick->VAL;
        l_dwDeltTicks = l_dwIntervalTicks - MAX_TICKS_PER_PERIOD;
        break;
      }
    }
  }
  if(0 < l_dwUsRemainTicks)
  {
    while(1)
    {
      l_dwCurTicks = SysTick->VAL;
      if(l_dwCurTicks <= l_dwPreTicks)
      {
        l_dwIntervalTicks = l_dwPreTicks - l_dwCurTicks + l_dwDeltTicks;
      }
      else
      {
        l_dwIntervalTicks = l_dwPreTicks + (l_dwReloadValue - l_dwCurTicks + 1) + l_dwDeltTicks;
      }
      if(l_dwUsRemainTicks <= l_dwIntervalTicks)
      {
        break;
      }
    }
  }
}

在上面的微秒延时函数的基础上，可以进一步设计毫秒延时函数。按照前面尽量减少微秒延时函数调用次数的原则，这里以最大微秒延时时间为基本单元，进行毫秒延时函数vDelayMs()的设计。设计思路如下。

（1）将要延时的毫秒数t转成微秒数，计算最大微秒延时时间的个数n，以及剩余的微秒延时数r。

（2）调用vDelayUs()函数先完成n个最大微秒延时，再调用vDelayUs()完成剩余的微秒延时数r。

同样，为了尽量提高延时精度，毫秒延时函数vDelayMs()在进行延时时也要尽量只进行一次调用。

毫秒延时函数vDelayMs()的程序代码实现如下。

void vDelayMs(uint32_t p_dwMs)
{
  uint64_t p_llUs = (uint64_t)p_dwMs * 1000;
  uint32_t p_dwMaxUsNum = p_llUs / MAX_US_DELAY;
  uint32_t p_dwRemainUs = p_llUs % MAX_US_DELAY;
  uint32_t i;
​
  for(i = 0; i < p_dwMaxUsNum; i++)
  {
    vDelayUs(MAX_US_DELAY);
  }
  if(0 < p_dwRemainUs)
  {
    vDelayUs(p_dwRemainUs);
  }
}

如果想进一步提高延时精度，可以实测延时函数开头的一些变量的初始化时间ti，然后在延时中对这些额外的执行时间进行补偿即可。也可以将C代码转成汇编代码来评估代码的实际执行时间。

从C代码转成汇编代码的方法可以参考以下链接。

arm-none-eabi交叉编译工具常用的一些指令：

https://blog.csdn.net/a13526758473/article/details/54982817

这里将延时函数放在了delay.c文件中，可以通过以下命令生成对应的汇编代码文件。

arm-none-eabi-objdump -d -S delay.o >delay1.txt

需要注意的是，要在汇编代码中嵌入C代码，需要在编译阶段使用-g参数来使汇编代码和C代码对应。即编译时使用以下命令。

arm-none-eabi-gcc -g ...