STM32 TIM（一）定时中断

STM32 TIM（一）定时中断

定一个时间，然后让定时器每隔这个时间产生一个中断，来实现每隔一个固定时间执行一段程序的目的，比如你要做个时钟、秒表，或者使用一些程序算法的时候，都需要用到定时中断的这个功能。

TIM简介

• TIM（Timer）定时器

• 定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断

  • 定时器就是一个计数器，当这个计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟的时候，那在对这个基准时钟进行计数的过程，实际上就是计时的过程。
    • 比如在STM32中，定时器的基准时钟一般都是主频72MHz，比如我对72MHz计72个数，所记时间就是72*1/72000000=1us；如果计72000个数，那就是72000*1/72000000=1ms。

• 16位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元，在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时

  • 计数器就是用来执行技术定时的一个寄存器，每来一个时钟，计数器加1。
  • 预分频器可以对计数器的时钟进行分频，让计数更加灵活。
  • 自动重装寄存器就是计数的目标值，就是想要计多少个时钟申请中断。
  • 计数器、预分频器、自动重装寄存器构成了定时器最核心的部分，我们把这一块电路称为时基单元，均为16位寄存器，2¹⁶=65536,如果预分频器设置最大，自动重装也设置最大，那定时器的最大的定时时间就1/72000000*65535*65535=59.65s，接近一分钟。

  如果想这里的最大定时时间仍满足不了需求，STM32的定时器还支持级联的模式，也就是一个定时器的输出，当作另一个定时器的输入，这样，最大定时时间就是1/72000000*65536*65536*65536*65536 这个时间大概是8000多年，如果还嫌短，那就再级联一个定时器，最大定时时间还会延长65536*65536倍，这个时间大概是34万亿年。

• 不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能

• 根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型

定时器类型

• 这三种定时器是由高级到低级向下兼容的
  • 高级定时器拥有通用定时器的全部功能
  • 通用定时器拥有基本定时器的全部功能

类型	编号	总线	功能
高级定时器	TIM1、TIM8	APB2	拥有通用定时器全部功能，并额外具有重复计数器、死区生成、互补输出、刹车输入等功能
通用定时器	TIM2、TIM3、TIM4、TIM5	APB1	拥有基本定时器全部功能，并额外具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等功能
基本定时器	TIM6、TIM7	APB1	拥有定时中断、主模式触发DAC的功能

• STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4
  • 1个高级定时器和3个通用定时器

高级定时器

• 增加重复次数计数器，可以实现每隔几个计数周期，才发生一次更新事件和更新中断，相当于对输出的更新信号又做了一次分频，将最大计数时间延长了65536倍。原来的结构是每个计数周期完成后都会发生更新。
• DTG（Dead Time Generate）死区生成电路，右边的输出引脚由一个变为了两个互补的输出，可以输出一对互补的PWM波，用于驱动三相无刷电机。
  • 四轴飞行器、电动车的后轮、电钻等，都可能用的是三相无刷电机，三相无刷电机的驱动电路一般需要3个桥臂，每隔桥臂2个大功率开关来控制，总共需要6个大功率开关管来控制，所以这里输出PWM引脚的前三路就变为了互补的输出，而地思路却没什么变化，因为三相无刷电机只需要三路就行了。为了防止互补输出的PWM驱动桥臂时，在开关切换的瞬间，由于器件的不理想，造成短暂的直通现象，所以前面这里就加上了死区生成电路，在开关切换的瞬间，产生一定时长的死区，让桥臂的上下管全都关断，防止直通现象。
• 刹车输入，为电机驱动提供安全保障，如果外部引脚BKIN（Break IN）产生了刹车信号，或者内部时钟失效，产生了故障，那么控制电路就会自动切断电机的输出，防止意外的发生。

通用定时器

带黑色阴影的寄存器，都是有影子寄存器这样的缓冲机制的。

包括预分频器、自动重装载寄存器和捕获比较寄存器。

结构组成

• 时基单元，由预分频器、计数器、自动重装载寄存器构成，预分频器对时钟进行预分频，计数器自增计数，当计数器计到自动重装值时，计数值清零同时产生更新中断和更新事件。
  • 对于通用定时器而言，计数器的计数模式就不止向上计数这一种了，通用定时器支持向上计数模式，向下计数模式和中央对齐模式。
    • 向上计数模式，计数器从0开始，向上自增，计到重装值，清零同时申请中断，然后开始下一轮，依次循环。
    • 向下计数模式，从重装值开始，向下自减，减到0之后，回到重装值同时申请中断，然后继续下一轮，依次循环。
    • 中央对齐模式，就是从0开始，先向上自增，计到重装值，申请中断，然后再向下自减，减到0，再申请中断，然后继续下一轮，依次循环。
• 内外时钟源选择，对于基本定时器而言，基准计数时钟只能选择内部时钟，也就是系统频率72MHz，而对于通用定时器，时钟源可以选择内部的72MHz时钟，还可以选择外部时钟
  • TIMx_ETR引脚上的外部时钟。
    • 比如可以在TIM2_ETR（External）引脚（复用在了PA0）上接一个外部方波时钟，然后配置一下内部的极性、边沿检测和预分频器电路，再配置一下输入滤波电路，这些电路可以对外部时钟进行一定整形，因为是外部引脚的时钟，所以难免会有毛刺，所以需要对输入的波形进行滤波。
    • 滤波后的信号
      • 一路ETRF，进入触发控制器，可以直接选择作为时基单元的时钟，或者相对ETR时钟进行计数，把这个定时器当作计数器来使用，就可以配置这一路的电路，在STM32中，这一路也叫做“外部时钟模式2”
      • 一路TRGI，主要是用作触发输入来使用的，可以触发定时器的从模式或者将触发输入作为外部时钟来使用，当TRGI当作外部时钟来使用的时候，这一路就叫做“外部时钟模式1”
• 编码器接口，读取正交编码器的输出波形。
• 主模式输出，可以把定时器内部的一些事件映射到TRGO引脚上，用于触发其他定时器、DAC或者ADC，比如将更新事件映射到TRGO，用于触发DAC。
• 输出比较电路，总共有4个通道，分别对应CH1到CH4的引脚，可以用于输出PWM波形，驱动电机。
• 输入捕获电路，总共有4个通道，分别对应CH1到CH4的引脚，可以用于测量输入方波的频率、占空比等。
• 捕获/比较寄存器，由输入捕获和输出比较电路共用，因为输入捕获和输出比较不能同时使用，所以寄存器和引脚都共用。

外部时钟模式1

• 外部时钟模式1的输入可以是ETR引脚、其他定时器、CH1（输入捕获/输出比较）引脚的边沿、CH1引脚和CH2引脚（输入捕获/输出比较）的TI1FP1和TI2FP2
• 扩大时钟输入的范围
• 实现定时器的级联
• 实现输入捕获，测频率

• 通过TRGI的时钟

  • ETR引脚的信号
  • ITR信号，这一部分的时钟信号是来自其他定时器，主模式的输出TRGO可以通向其他定时器，通向其他定时器的时候，其实就接到了其他定时器的ITR引脚上来了，这个ITR0~ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出。例如，由下图可知，TIM2的ITR0是接在了TIM1的TRGO上，ITR1接在了TIM8的TRGO上，ITR2接在了TIM3的TRGO上，ITR3接在了TIM4的TRGO上。
    • 通过这一路，我们可以实现定时器级联的功能。比如我们可以先初始化TIM3，然后使用主模式把它的更新事件映射到TRGO上，接着再初始化TIM2，这里选择ITR2，对应的就是TIM3的TRGO，然后再选择时钟为外部模式1，这样TIM3的更新事件就可以驱动TIM2的时基单元，也就实现了定时器的级联。
  • TI1F_ED（Edge 边沿）,连接的是输入捕获单元的CH1引脚，也就是从CH1引脚获得时钟，通过这一路输入的时钟，检测边沿信号，上升沿和下降沿均有效。
  • TI1FP1和TI2FP2，通过输入滤波器和边沿检测器后的时钟。

  

基本定时器

• 图中向上的折线箭头UI，代表这里会产生中断信号，像这种计数值等于自动重装值产生的中断，一般叫做更新中断，这个更新中断之后会通往NVIC，再配置好NVIC的定时器通道，那定时器的更新中断就能得到CPU的响应了。

• 向下的箭头U，代表的是会产生一个事件，这里对应的事件就叫做“更新事件”，更新事件不会触发中断，但可以触发内部其他电路的工作。

基本流程

• 从基准时钟，到预分频器，再到计数器，计数器计数自增，同时不断地与自动重装载寄存器进行比较，计数值与自动重装值相等时，即更新时间到，这时会产生一个更新中断和更新事件，CPU响应更新中断，就完成了定时中断的任务。

基本结构

• 预分频器、计数器和自动重装寄存器，构成了最基本的计数计时电路，将这一块电路称作时基单元。
• 预分频器之前，连接的是基准计数时钟的输入，由于基本定时器只能选择内部时钟，所以可以直接认为，CK_PSC时钟线直接连到了内部时钟CK_INT上。
  • 内部时钟CK_INT的来源是RCC_TIMxCLK,这里的频率值一般都是系统的主频72MHz，所以通向时基单元的计数基准频率就是72MHz。
• 预分频器，可以对72MHz的计数时钟进行预分频。
  • 比如这个寄存器写0，就是不分频，或者说1分频，输出频率=输入频率=72MHz。如果预分频器写1，就是2分频，输出频率=输入频率/2=36MHz，以此类推。预分频器的值和实际的分频系数相差了1，即实际分频系数=预分频器的值+1。
  • 16位寄存器，可以写的最大值为2¹⁶-1=65536,也就是65536分频，对输入的基准频率提前进行一个分频的操作。
• 计数器，可以对预分频后的计数时钟进行计数，计数时钟每来一个上升沿，计数器的值就+1。
  • 16位寄存器，里面的值可以从0一直加到65535，如果再加的话，计数器就会回到0重新开始。计数器的值在计时过程中会不断地自增运行。当自增运行到目标值时，产生中断，就完成了定时的任务。
• 自动重装载寄存器，存储目标值
  • 16位寄存器，存储我们写入的计数目标，在运行的过程中，计数值不断自增，自动重装值是固定的，当计数值等于自动重装值时，也就是定时时间到了，就会产生一个中断信号，并且清零计数器。计数器自动开始下一次的计数计时。

主模式触发DAC

• 主从触发模式，可以让内部的硬件在不受程序的控制下实现自动运行，可以减轻CPU的负担。

• 正常情况下，如果想要每隔一段时间触发DAC，就要先设置一个定时器产生中断，每隔一段时间在中断程序中调用代码手动触发一次DAC转换，然后DAC输出，会使主程序处于频繁被中断的状态。会影响主程序的运行和其他中断的响应。

• 使用主模式可以把定时器的更新事件，TRGO（Trigger Out）的位置，然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上，这样定时器的更新就不需要通过中断来触发DAC转换了。仅需要把更新事件通过主模式映射到TRGO，然后TRGO就会直接去触发DAC了。整个过程不需要软件的参与，实现了硬件的自动化，这就是主模式的作用。

定时中断基本结构

• PSC预分频器、CNT计数器、ARR自动重装载寄存器构成的时基单元。
• 运行控制，表示控制寄存器的一些位，比如启动停止，向上和向下计数等等，操作这些寄存器就能控制时基单元的运行了。
• 可选时钟源
  • RCC提供的内部时钟 （内部时钟模式）
  • ETR引脚提供的外部时钟 （外部时钟模式2）
  • 触发输入（TRGI）作为外部时钟 （外部时钟模式1）
    • ETR外部时钟
    • ITRx其他定时器
    • TIx输入捕获通道
  • 编码器模式
• 产生更新中断，中断信号会先在状态寄存器里置一个中断标志位，这个标志位会通过中断输出控制，到NVIC申请中断。
  • 中断输出控制，由于定时器模块很多地方都要申请中断，比如更新要申请中断，触发信号也要申请中断，输入捕获和输出比较匹配时也会申请中断，这些中断都要经过中断输出控制，如果需要这个中断，就允许，如果不要这个中断，就禁止。中断输出控制就是一个中断输出的允许位。

预分频器时序

基本定义

• CK_PSC，表示预分频器的输入时钟。
• CNT_EN，计数器使能，高电平计数器正常运行，低电平计数器停止。
• CK_CNT，计数器时钟，既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入。

基本流程

• 开始时，计数器未使能，计数器时钟不运行。
• 使能后，前半段，预分频器系数为1（1分频），计数器的时钟等于预分频器前的时钟，后半段，预分频器系数变为2（2分频），计数器的时钟就也变为预分频器前时钟的一半了。
• 在计数器时钟的驱动下，下面的计数器寄存器也跟随时钟的上升沿不断自增，在计数值到达FC（ARR自动重装值）之后，计数值变为0。当计数值计到和重装值相等，并且下一个时钟来临时，计数值才清零。同时产生一个更新事件。

缓冲机制

• 预分频寄存器实际上有两个，预分频控制寄存器只供读写用，并不直接决定分频系数。
• 缓冲寄存器（也叫做影子寄存器），才是真正起作用的寄存器
  • 比如在某个时刻，把预分频寄存器由0改成1，如果在此时立刻改变时钟的分频系数，就会导致，在一个计数周期内，前半部分和后半部分的频率不一样，计数记到一半，计数频率突然就改变了，虽然一般不会有什么太大影响。
  • 缓冲寄存器，使得我们在计数计到一半的时候改变了分频值，但是这个变化并不会立刻生效，而是会等到本次计数周期结束时，产生了更新事件，预分频寄存器的值才会被传递到缓冲寄存器里面去，此时才会生效。所以，有了缓冲机制，即使我们在计数中途改变了预分频值，计数频率仍然会保持为原来的频率，直到本轮计数完成，在下一轮计数时，改变后的分频值才会起作用。
• 预分频计数器内部实际上也是靠计数来完成分频的，当预分频值为0时，计数器就一直为0，直接输出原频率，当预分频值为1时，计数器就0、1、0、1这样计数，在回到0 的时候，输出一个脉冲，这样输出频率就是输入频率的2分频。

• 计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)

计时器时序

基本定义

• CK_INT 内部时钟72MHz
• CNT_EN 时钟使能，高电平启动
• CK_CNT 计数器时钟，这里分频系数为2，2分频

基本流程

• 计数器在时钟的每个上升沿自增，当增到0036（自动重装值）的时候，发生溢出，再来一个上升沿，计数器清零，计数器溢出，产生一个更新事件脉冲。另外还会置一个更新中断标志位UIF，这个标志位只要置1了，就会去申请中断，中断响应后，需要在中断程序中手动清零该标志位。

• 计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1)= CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

计时器无预装时序

没有缓存寄存器的情况，通过设置ARPE位，就可以选择是否使用预装功能。

• 计数器正在进行自增计数，比如突然更改了自动重装寄存器，由FF改成36，那计数值的目标值就由FF改成了36，所以这里计到36之后，就直接更新，开始下一轮计数。

计时器有预装时序

有缓存寄存器的情况，通过设置ARPE位，就可以选择是否使用预装功能。

• 在计数的途中，突然把计数目标值由F5改成了36，自动加载影子寄存器在这里起真正作用，目前计数的目标还是计到F5，等计数器计到F5，产生更新事件的同时，要更改的36才被传递到影子寄存器，在下一个技术周期，这个更改的36才有效。引入影子寄存器的目的实际上是为了同步，就是让值的变化和更新事件同步发生，防止在运行途中更改造成错误。

在这个例子可以看出，如果这里不使用影子寄存器，F5改到36立刻生效，但此时计数值已经到F1，超过了36，F1只能增加，但它的目标值却还是36，比它还小，这样F1就只能一直加，一直加到FFFF，再回到0，再加到36，才能产生更新，这样就会造成一些小问题。

RCC时钟树

基本介绍

• STM32用来产生和配置时钟，并且把配置好的时钟发送到各个外设的系统，时钟是所有外设运行的基础，所以时钟也是最先需要配置的东西。程序中主函数之前，还会执行一个SystemInit（）函数，这个函数就是用来配置这个时钟树的。

时钟产生电路

• SYSCLK 系统时钟 72MHz
• 时钟产生电路，有四个振荡源
  • 内部的8MHz高速RC振荡器 (HSI 内部高速时钟）
  • 外部的4~16MHz高速石英晶体振荡器，也就是晶振（OSC），一般接8MHz （HSE 外部高速时钟）
  • 外部的32.768KHz低速晶振（OSC），一般为RTC提供时钟。（LSE 外部低速时钟）
  • 内部的40KHz低速RC振荡器，给看门狗提供时钟。（LSI 内部低速时钟）
  • HSI和HSE两个高速时钟，用于提供系统时钟，AHB、APB1、APB2的时钟都是来源于这两个高速时钟。

SystemInit()函数

• 首先启动内部高速时钟（HSI），选择内部8MHz为系统时钟，暂时以内部8MHz的时钟运行。
• 然后启动外部高速时钟（HSE），配置外部时钟不分频进入PLLXTPRE，之后进入PLL锁相环进行倍频，8MHz倍频9倍，得到72MHz，等到锁相环输出稳定后，选择锁相环输出为系统时钟，这样就把系统时钟由8MHz切换为了72MHz。
• 如果外部晶振出问题了，可能会导致一个现象，程序的时钟大概慢了10倍，比如用定时器定了一个1S的事件，结果过了大概10s才进中断。如果外部晶振出问题了，系统时钟就无法切换到72MHz，那它就会以内部的8MHz运行，8MHz相比较72MHz，大概就慢了10倍。

CSS(Clock Secerity System)，时钟安全系统，负责切换时钟，可以检测外部时钟的运行状态，一旦外部时钟失效，就会自动把外部时钟切换回内部时钟，保证系统时钟的运行，防止程序卡死造成事故。

时钟分配电路

• 系统时钟72MHz进入AHB总线，AHB总线有个预分频器，在SystemInit（）里配置的分频系数为1，那AHB的时钟就是72MHz。

  • 然后进入APB1总线，这里配置的分频系数为2，所以APB1总线的时钟为72MHz/2=36MHz。
    • 通向定时器2~7的时钟单开了一路，如果APB1预分频系数=1，则频率不变，否则频率×2，由于这里APB1配置分频系数为2，所以频率要×2，那么通向定时器2~7的时钟就又变成了72MHz。
  • APB2预分频系数设为1，APB2的时钟和AHB一样，都是72MHz。这里接在APB2上的高级定时器（TIM1和TIM8）也单开了一路如，果APB2预分频系数=1，则频率不变，否则频率×2。这里APB2预分频系数为1，所以频率不变。

  在这些时钟输出这里，都有一个与门进行输出控制，控制位写的是外部时钟使能，这就是我们在程序中写RCC_APB2/1PeriphClockCmd()作用的地方，打开时钟，就是在这个位置写1，让左边的时钟能够通过与门输出给外设。