STM32-通用定时器-定时器中断

2024-04-01 12:23:52

1 STM32的定时器

STM32F103ZET6一共有8个定时器，其中分别为：高级定时器（TIM1、TIM8）；通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）；基本定时器（TIM6、TIM7）。
他们之间的区别情况见下表：

定时器种类	位数	计数器模式	产生DMA请求	捕获/比较通道	互补输出	特殊应用场景
高级定时器（TIM1,TIM8)	16	向上，向下，向上/下	可以	4	有	带死区控制盒紧急刹车，可应用于PWM电机控制
通用定时器（TIM2~TIM5）	16	向上，向下，向上/下	可以	4	无	通用。定时计数，PWM输出，输入捕获，输出比较
基本定时器 (TIM6,TIM7)	16	向上，向下，向上/下	可以	0	无	主要应用于驱动DAC

2 STM32通用定时器

2.1 通用定时器功能特点描述

        STM32的通用定时器是由一个可编程预分频器（PSC）驱动的16位自动重装载计数器（CNT）构成，可用于测量输入脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和PWM）等。
        STM32 的通用TIMx（TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5）定时器功能特点包括：
1）位于低速的APB1总线上（注意：高级定时器是在高速的APB2总线上）；
2）16位向上、向下、向上/向下（中心对齐）计数模式，自动装载计数器（TIMx_CNT）；
3）16位可编程（可以实时修改）预分频器（TIMx_PSC），计数器时钟频率的分频系数为 1～65535 之间的任意数值；
4）4个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可以用来作为：
                        ① 输入捕获
                        ② 输出比较
                        ③ PWM生成（边缘或中间对齐模式）
                        ④ 单脉冲模式输出
5）可使用外部信号（TIMx_ETR）控制定时器和定时器互连（可以用 1 个定时器控制另外一个定时器）的同步电路。
6）如下事件发生时产生中断/DMA（6个独立的IRQ/DMA请求生成器）：
                        ① 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)
                        ② 触发事件（计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数）
                        ③ 输入捕获
                        ④ 输出比较
                        ⑤ 支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路
                        ⑥ 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理
        STM32 的通用定时器可以被用于：测量输入信号的脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和 PWM）等。
        使用定时器预分频器和 RCC 时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒间调整。STM32 的每个通用定时器都是完全独立的，没有互相共享的任何资源。

2.2 计数器模式

通用定时器可以向上计数、向下计数、向上向下双向计数模式。
1）向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值（TIMx_ARR），然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。
2）向下计数模式：计数器从自动装入的值（TIMx_ARR）开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始，并产生一个计数器向下溢出事件。
3）*对齐模式（向上/向下计数）：计数器从0开始计数到自动装入的值-1，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。
简单地理解三种计数模式，可以通过下面的图形：

3 通用定时器工作流程

对于这个定时器框图，分成四部分来讲：最顶上的一部分（计数时钟的选择）、中间部分（时基单元）、左下部分（输入捕获）、右下部分（PWM输出）。这里主要介绍一下前两个，后两者的内容会在后面的文章中讲解到。

3.1 计数时钟的选择

计数器时钟可由下列时钟源提供：

1）内部时钟（TIMx_CLK）
2）外部时钟模式1：外部捕捉比较引脚（TIx）
3）外部时钟模式2：外部引脚输入（TIMx_ETR）
4）内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器，如可以配置一个定时器Timer1而作为另一个定时器Timer2的预分频器。

通用定时器的时钟源可以通过TIMx_SMCR的低3位来进行配置。默认是000由内部时钟进行驱动。

3.2 内部时钟源

         从图中可以看出：由AHB时钟经过APB1预分频系数转至APB1时钟，再通过某个规定转至TIMxCLK时钟（即内部时钟CK_INT、CK_PSC）。最终经过PSC预分频系数转至CK_CNT。首先我们我们的系统时钟（SYSCLK=72MHz）经过AHB分频器给APB1外设，但是APB1外设最大的只能到36Mhz，所以必须要系统时钟的二分频。下面又规定了如果APB1预分频系数为1则频率不变，否则频率X2至定时器2~7，所以定时器2~7的时钟频率还是72MHz。
        那么APB1时钟怎么转至TIMxCLK时钟呢？除非APB1的分频系数是1，否则通用定时器的时钟等于APB1时钟的2倍。
        例如：默认调用SystemInit函数情况下：SYSCLK=72M、AHB时钟=72M、APB1时钟=36M，所以APB1的分频系数=AHB/APB1时钟=2。所以，通用定时器时钟CK_INT=2*36M=72M。最终经过PSC预分频系数转至CK_CNT。

3.3 时基单元

时基单元包含：计数器寄存器（TIMx_CNT）、预分频器寄存器（TIMx_PSC）、自动装载寄存器（TIMx_ARR）三部分。
对不同的预分频系数，计数器的时序图为：

3.4 计数模式

此时，再来结合时钟的时序图和时基单元，分析一下各个计数模式：

向上计数模式（时钟分频因子=1）

向下计数模式（时钟分频因子=1）

*对齐模式（时钟分频因子=1 ARR=6）

4 通用定时器相关配置寄存器

4.1 计数器当前值寄存器（TIMx_CNT）

作用：存放计数器的当前值。

4.2 预分频寄存器（TIMx_PSC）

作用：对CK_PSC进行预分频。此时需要注意：CK_CNT计算的时候，预分频系数要+1。

4.3 自动重装载寄存器（TIMx_ARR）

作用：包含将要被传送至实际的自动重装载寄存器的数值。

注意：该寄存器在物理上实际上对应着2个寄存器。一个是我们直接操作的，另一个是我们看不到的，这个看不到的寄存器叫做影子寄存器。实际上真正起作用的是影子寄存器。根据TIMx_CR1位的APRE位的设置，APRE=0时，预装载寄存器的内容就可以随时传送到影子寄存器，此时两者是互通的；APRE=1时，在每一次更新事件时，才将预装在寄存器的内容传送至影子寄存器。

4.4 控制寄存器（TIMx_CR1）

作用：对计数器的计数方式、使能位等进行设置。

这里有ARPE位：自动重装载预装载允许位。ARPE=0时，TIMx_ARR寄存器没有缓冲；ARPE=1时，TIMx_ARR寄存器被装入缓冲器。

4.5 DMA/中断使能寄存器（TIMx_DIER）

作用：对DMA/中断使能进行配置。

5 通用定时器超时时间

        初始化定时器的时候指定我们分频系数psc，这里是将我们的系统时钟(72MHz)进行分频。然后指定重装载值arr，这个重装载值的意思就是当我们的定时器的计数值达到这个arr时,定时器就会重新装载其他值。例如当我们设置定时器为向上计数时,定时器计数的值等于arr之后就会被清0重新计数。定时器计数的值被重装载一次被就是一个更新(Update)
        超出（溢出）时间计算：Tout=（ARR+1)(PSC+1)/TIMxCLK
                其中：Tout的单位为us，TIMxCLK是定时器时钟源,在这里就是72Mhz。我们将分配的时钟进行分频,指定分频值为psc,就将我们的TIMxCLK分了psc+1,我们定时器的最终频率就是TIMxCLK/(psc+1) MHz。这里的频率的意思就是1s中记 TIMxCLK/(psc+1) M个数 (1M=10的6次方) ,每记一个数的时间为(psc+1)/Tclk ,很好理解频率的倒数是周期,这里每一个数的周期就是(psc+1)/TIMxCLK 秒。然后我们从0记到arr 就是 (arr+1)*(psc+1)/TIMxCLK。
        这里需要注意的是：PSC预分频系数需要加1，同时自动重加载值也需要加1。
1）为什么自动重加载值需要加1，因为从ARR到0之间的数字是ARR+1个；
2）为什么预分频系数需要加1，因为为了避免预分频系数不设置的时候取0的情况，使之从1开始。
        这里需要和之前的预分频进行区分：由于通用定时器的预分频系数为1～65535之间的任意数值，为了从1开始，所以当预分频系数寄存器为0的时候，代表的预分频系数为1。而之前的那些预分频系数都是固定的几个值，比如1、4、8、16、32、64等等，而且可能0x000代表1，0x001代表4，0x010代表8等等。也就是说，一边是随意的定义（要从1开始），另一边是宏定义了某些值（只有特定的一些值）。
        比如，想要设置超出时间为1s，并配置中断，我们设置arr=7199，psc=9999。我们将72MHz (1M等于10的6次方) 分成了（9999+1）等于 7200Hz，就是一秒钟记录9000数，每记录一个数就是1/7200秒。我们这里记录9000个数进入定时器更新(7199+1)*(1/7200)=1s,也就是1s进入一次更新Update。

6 通用定时器相关配置库函数

6.1 1个初始化函数

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct);//定时器参数初始化
typedef struct
{
  uint16_t TIM_Prescaler;//预分频系数的设置      
  uint16_t TIM_CounterMode;//计数模式   
  uint16_t TIM_Period;//自动装载值
  uint16_t TIM_ClockDivision;//输入捕获会用到 
  uint8_t TIM_RepetitionCounter;//高级定时器会用到
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

作用：用于对预分频系数、计数方式、自动重装载计数值、时钟分频因子等参数的设置。

6.2 2个使能函数

void TIM_Cmd(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);//定时器使能函数
void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState);//定时器中断使能函数

作用：前者使能定时器，后者使能定时器中断。

6.3 4个状态标志位获取函数

FlagStatus TIM_GetFlagStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_FLAG);
void TIM_ClearFlag(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_FLAG);
ITStatus TIM_GetITStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);
void TIM_ClearITPendingBit(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);

作用：前两者获取（或清除）状态标志位，后两者为获取（或清除）中断状态标志位。

7 定时器中断的一般步骤

实例要求：通过TIM3的中断来控制DS1的亮灭，DS1是直接连接在PE5上的。

1）使能定时器时钟。调用函数：RCC_APB1PeriphClockCmd()；
2）初始化定时器，配置ARR、PSC。调用函数：TIM_TimeBaseInit()；
3）开启定时器中断，配置NVIC。调用函数：void TIM_ITConfig()；NVIC_Init()；
4）使能定时器。调用函数：TIM_Cmd()；
5）编写中断服务函数。调用函数：TIMx_IRQHandler()。

下面按照这个一般步骤来进行一个简单的定时器中断程序：

//通用定时器3中断初始化
//这里时钟选择为APB1的2倍，而APB1为36M
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
//这里使用的是定时器3!
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //TIM3时钟使能
	
	//定时器TIM3初始化，简单进行定时器初始化,设置 预装载值 和 分频系数
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值	
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
 
	TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); //使能指定的TIM3中断,允许更新中断
 
	//中断优先级NVIC设置
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  //TIM3中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //先占优先级0级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  //从优先级3级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //初始化NVIC寄存器
 
 
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx					 
}
//定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
		{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 
		LED1=!LED1;   //状态取反
		}
}

 int main(void)
 {		
 
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
 	LED_Init();			     //LED端口初始化
	TIM3_Int_Init(4999,7199);//10Khz的计数频率，计数到5000为500ms  
   	while(1)
	{
		LED0=!LED0;
		delay_ms(200);		   
	}	 
 
}

定时器中断的程序和串口中断的程序非常类似，可以将两者结合起来进行比对着学习STM32串口通信。
同时强调一下，在中断处理函数内，需要判断中断来源和及时清除中断标志位。

问题：各种教程中，都只解释中断的机制、使用。但对于中断标志的清理顺序，没多少官方准确的资料。今天在F429的代码里，又遇到问题：进中断后卡死跳不出来，各种排查没发现问题。快要出门时，才突然想起来，要把清理中断的语句，从最后一行，移到第一行。重新编译烧录，马上通过。真是奇怪的问题。
例1：后清理，卡死：

void TIM6_DAC_IRQHandler()
{
    LED_BLUE_TOGGLE ;       // 反转LED
    TIM6->SR &= ~(0x01);    // 清理中断标志     
}

中断服务函数如下：上面的两行示例代码，死活没法子看出有啥毛病，但程序卡死。几乎耗了一个上午排查周边代码。
修改成如下顺序，先清理中断标志，马上顺利通过。

void TIM6_DAC_IRQHandler()
{
    TIM6->SR &= ~(0x01);         // 重点，重点，重点，必须先清中断后处理其它事情，否则卡死
    LED_BLUE_TOGGLE ;            // 反转LED
}

例2：先清理后清理，没事：

问题：必须是先清中断标志吗？不是的。发现有很多中断函数不是必须先清理。
测试环境：F429IG + 外部中断线中断(项目中是做按键的)

void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
    // EXTI->PR |= KEY_2_PIN ;      // 位置 1
    LED_BLUE_TOGGLE ;    
    EXTI->PR |= KEY_2_PIN ;         // 位置 2              
}

结论：在进入中断后首先要清除中断标志。

8 中断子程序中不能使用延时和过长的程序

1）通常在中断子程序中是不调用延时子程序的，这样会增加中断处理时间，如果有其它低级中断了，就会延误响应中断了。所以，中断子程序中不要写调用延时子程序，中断子程序也不要写得过长，处理过多的任务，要尽快处理后及时返回，如果中断一次有很多任务需要执行完全，可以在中断子程序中设置一个标志位，在主程序中查这个标志位，当标志为1时，就在主程序中完成这些任务，这样就不会影响其它中断源的中断，也不会使中断产生混乱。
2）首先，对于CPU频率的理解，1Mhz的频率CPU周期就是1us（1 / 1000000秒）。既然1Mhz对应1us（也就是1us对应一个指令周期，不考虑流水线的单指令周期），这样，一个指令周期就对应一条指令。假设每条指令都有2个字节大小（16位指令），这样，1ms时间内1Mhz的CPU可以大约运行2KB的代码。因此如果中断处理函数的代码越接近2KB，则越容易产生中断。假设一个10KHz外设，中断处理程序允许的最大安全尺寸是多少？以Cortex M3为例，支持16/32位指令操作（大部分为单周期指令），假设主频为72Mhz，100KHz相当于100us 。则如果是16位指令（前面算过1ms 2KB代码），72 * 100 * 2到72 * 100 * 4之间（14.4~28.8），取最小14.4KB。

9 STM32 定时器有时一开启就进中断

        在使用STM32定时器的更新中断时，发现有些情形下只要开启定时器就立即进入一次中断。准确说，只要使能更新中断允许位就立即响应一次更新中断（当然前提是相关NVIC也已经配置好）。换言之，只要使能了相关定时器更新中断，不管你定时间隔多长甚至不在乎你是否启动了相关定时器，它都会立即进入一次定时器更新中断服务程序。
        以STM32F051芯片为例，做了几种不同顺序的组合测试。根据测试发现，的确有些情况下一运行TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE); （即使能更新中断）就立即进入更新中断服务程序。当然后面的中断都是正常的。
        老实说，这个问题比较容易忽视，有些情况下也无关紧要，但有些情况可能会给应用带来困扰。从ST MCU相关技术手册似乎并不能明显地找到关于这个问题的很合适或者逻辑性很强的前因后果。经过验证测试，如果注意一下相关指令代码顺序是可以回避这个问题的。

先做更新中断标志的清除操作，即清除TIMx->SR寄存器里的UIF标志，然后做定时器更新中断的使能操作。至于开启相关定时器的指令摆放位置并不严格。下面是相关动作的操作顺序及结果，可以参考、验证之。这里共罗列了6种写法，其中有3种情形是会立即进入中断的，另外3种不会。

/*（1）不会立即进入更新中断程序。*/
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器

/*（2）不会立即进入更新中断程序。*/
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断

/*（3）不会立即进入更新中断程序。*/ 
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断

/*（4）立即进入更新中断程序。*/
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位

/*（5）立即进入更新中断程序。*/
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器

/*（6）立即进入更新中断程序。*/ 
TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);  //使能定时器1更新中断
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                      //启动定时器
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除更新中断请求位

顺便提下关于定时器里UG位和URS位的使用，分别在TIMx->EGR和TIMx->CR1寄存器里。对UG位置1可以产生更新事件并对相关计数器和寄存器重新初始化，如果URS位为0的话，同时会产生更新中断。如果不希望对UG位置1的同时产生更新中断，得置URS位为1，否则会立即进入更新中断。

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