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SysTick 定时器

2021-04-28 10:15 407人阅读  评论(0)

11.1关于 SysTick 定时器

SysTick定时器(又名系统滴答定时器)是存在于Cortex-M3的一个定时器，只要是ARM Cotex-M系列内核的MCU都包含这个定时器。使用内核的SysTick定时器来实现延时，可以不占用系统定时器，节约资源。由于SysTick是在CPU核内部实现的，跟MCU外设无关，因此它的代码可以在不同厂家之间移植。

本 章 将 使用系统滴答定时器实现延时函数， 注 意 SysTick 用于了 HAL 库的毫秒级延时函数“HAL_Delay()”，不建议日常使用SysTick去作为其它用途，这里只作为演示。

SysTick定时器是一个24位递减定时器，即计数器可以从最大值224开始，每个时钟周期减1，当减到0时，会产生Systick异常，同时再自动重载定时初值，开始新一轮计数。通过设置这个定时初值，就可以实现得到指定时间。如下图 11.1.1 所示，y为定时器初值，然后随着时间增加，值逐渐减小，直至为0，再重新加载初值，如此往复，x1、x2、x3这些时间段，就是我们需要的延时时间。

假设STM32F103工作在72MHz，即72000000Hz，意味着1s时间内，会计数72000000次。那么1ms则计数72000000/1000=72000次。这个72000就可以作为系统滴答定时器的初始值，将这个值写入系统滴答定时器，定时器在每个时钟周期减1，减到0时，就刚好是1ms，同时产生中断通知，再次加载72000如此反复。HAL库提供“HAL_SYSTICK_Config()”函数去设置这个初始值。

系统滴答定时器控制寄存器比较少，整体比较简单，借助本次机会详细分析一下寄存器和HAL之间是调用关系。系统滴答定时器只有四个控制寄存器：STK_CTRL，STK_LOAD，STK_VAL和STK_CALIB。因 为系统滴答定时器属于Cotex-M3内核的外设，相关寄存器介绍不在《参考手册》，而在《3_STM32F10xx Cortex-M3编程手册》，后简称《编程手册》。

系统滴答定时器控制和状态寄存器（STK_CTRL）

重点关注Bit[0]，用于使能系统滴答定时器，Bit[1]使能系统滴答定时器中断，Bit[2]系统滴答时钟的时钟来源。

系统滴答定时器加载值寄存器（STK_LOAD）

Bit[23:0]，一共24位，用来设置系统滴答定时器的初始值，因此范围为1~ 16777216。

系统滴答定时器当前值寄存器（STK_VAL）


Bit[23:0]，一共24位，用来获取当前系统滴答定时器的计数值。

系统滴答定时器校准值寄存器（STK_CALIB）

这个寄存器没用到，可以不用管。此外，当处理器在调试期间被暂停（halt）时，系统滴答定时器也将暂停运作。

在理解系统滴答定时器的工作方式，了解系统滴答定时器的寄存器基本信息后，就可以尝试编写程序了。

11.2硬件设计

系统滴答定时器属于Cortex-M3内核资源，不涉及外部硬件电路。实验中会用到LED灯，电路设计参考前面LED点灯实验。

11.3软件设计

11.3.1.1 软件设计思路

实验目的：使用系统滴答定时器实现自定义延时。

  1. 分析HAL库的系统滴答定时器配置函数；
  2. 初始化系统滴答定时器（设置计数初值、使能等）；
  3. 封装延时函数，设置系统滴答定时器中断处理函数；
  4. 主函数调用验证；
    本实验配套代码位于“5_程序源码\4_基础重点—SysTick定时器”。

11.3.1.2 软件设计讲解

  1. 分析HAL库的系统滴答定时器配置函数
    在HAL库中，使用“HAL_SYSTICK_Config()”函数配置SysTick的初始值。
    代码段 11.3.1 SysTick 配置函数（stm32f1xx_hal_cortex.c）
/**
* @brief Initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
* Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.
* @param TicksNumb: Specifies the ticks Number of ticks between two interrupts.
* @retval status: - 0 Function succeeded.
* - 1 Function failed.
*/
uint32_t HAL_SYSTICK_Config(uint32_t TicksNumb)
{
   
return SysTick_Config(TicksNumb); }

该函数调用“SysTick_Config()”函数，函数内容如下代码段 11.3.2所示。
代码段 11.3.2 SysTick 配置函数（core_cm3.h）

/* ################################## SysTick function ############################################ */
/**
\ingroup CMSIS_Core_FunctionInterface
\defgroup CMSIS_Core_SysTickFunctions SysTick Functions
\brief Functions that configure the System.
@{
*/
#if defined (__Vendor_SysTickConfig) && (__Vendor_SysTickConfig == 0U)
/**
\brief System Tick Configuration
\details Initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.
\param [in] ticks Number of ticks between two interrupts.
\return 0 Function succeeded.
\return 1 Function failed.
\note When the variable <b>__Vendor_SysTickConfig</b> is set to 1, then the
function <b>SysTick_Config</b> is not included. In this case, the file <b><i>device</i>.h</b>
must contain a vendor-specific implementation of this function.
*/
__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
   
if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)
{
   
return (1UL); /* Reload value impossible */
}
SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL); /* set reload register */
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL); /* set Priority for Systick Interrupt */
SysTick->VAL = 0UL; /* Load the SysTick Counter Value */
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
return (0UL); /* Function successful */
}
#endif
  • 24~27行：判断传入的SysTick初始值是否大于最大值2的24次方；
  • 29行：设置SysTick初始值;
  • 30行：设置SysTick中断的优先级，默认为最低；
  • 31行：将SysTick当前计数值清零；
  • 32~34行：设置SysTick的控制和状态寄存器，展开对应的宏，值为“(1<<2) | (1<<1) | (1)”，结合前面STK_CTRL寄存器介绍，可知这里使能了SysTick，使能了SysTick中断，时钟源为AHB。当系统时钟为72MHz时，AHB不分频，也为72MHz，则SysTick的时钟也为72MHz。

通过对“HAL_SYSTICK_Config()”函数分析，可知只需要传入SysTick初始值，其它的都默认已经设置完成了。

  1. 初始化系统滴答定时器
    假设当MCU工作在72MHz，SysTick也工作在72MHz。时钟在1s内完成周期性变化的次数叫做频率（单位：Hz），因此72MHz则表示1秒SysTick计数72000000次，即1毫秒计数72000次。
    因此，如果将72000传入“HAL_SYSTICK_Config()”函数，则SysTick从72000减到0，花费时间为1毫秒，创建函数“SysTickInit()”初始化系统滴答定时器，如代码段 11.3.3 所示。
    代码段 11.3.3 初始化 SysTick（driver_systick.c）
/*
* 函数名：void SysTickInit(uint32_t cycle)
* * 输入参数：cycle,设置系统滴答时钟周期
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化系统滴答时钟的频率和中断优先级
*/
void SysTickInit(uint32_t cycle)
{
   
uint32_t init_t = 0;
init_t = SystemCoreClock/cycle;
/* 时间(单位:s)=1/频率(单位:HZ)
* SystemCoreClock 频率: 72MHz = 72,000,000
* 即 MCU 1 秒会计数 72,000,000 次 * 1ms 则计数 72MHz/1000 = 72000 次 * 72000 就是滴答时钟的初始值,它向下计数 72000 次,计数将变为 0,就会产生一次中断
* 滴答时钟初始值范围:1~16777216
** SystemCoreClock/1000: 1ms 中断一次
* SystemCoreClock/100000: 10us 中断一次
* SystemCoreClock/1000000: 1us 中断一次
*/
if(HAL_SYSTICK_Config(init_t) != HAL_OK)
{
   
Error_Handler(); }
// 设置滴答定时器中断优先级：最高
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
// 使能滴答定时器中断
HAL_NVIC_EnableIRQ(SysTick_IRQn); }
  • 12行：使用HAL库提供的全局变量“SystemCoreClock”获取当前系统时钟，再根据传入的cycle，计算出
    SysTick的初始值；
  • 25~28行：使用“HAL_SYSTICK_Config()”函数设置SysTick的初始值，并检测是否设置成功;
  • 31行：设置滴答定时器中断优先级，这里设置为最高。前面分析“HAL_SYSTICK_Config()”函数，知道该函数也会设置中断优先级，这里重新设置为最高优先级，在当前示例里，SysTick中断的优先级不重要；
  • 33行：使能SysTick中断；这里是使能NVIC，而“HAL_SYSTICK_Config()”函数使能的是SysTick；

为了方便修改SysTick的初始值，这里定义几个常见的延时周期，如代码段 11.3.4 所示。当需要延时周期为1毫秒时，传入“CYCLE_1MS”给“SysTickInit()”，则SysTick计数到零花费1毫秒

代码段 11.3.4 定义延时周期（driver_systick.h）

#define CYCLE_100MS 10
#define CYCLE_10MS 100
#define CYCLE_1MS 1000
#define CYCLE_100US 10000
#define CYCLE_10US 100000
#define CYCLE_1US 1000000
  1. 封装延时函数，设置系统滴答定时器中断处理函数
    创建延时函数“SysTickDelay()”，在该函数里设置自定义全局变量systick_t的初始值，SysTick每计数完一次则进入SysTick中断，将全局变量systick_t的值减1，如代码段 11.3.6 所示。一直到systick_t变为零，结束延时，如代码段 11.3.5 所示。

代码段 11.3.5 SysTick 延时函数（driver_systick.c ）

/*
* 函数名：void SysTickDelay(uint16_t m)
* 输入参数：m-延时时间
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：滴答定时器实现的延时函数
*/
void SysTickDelay(uint32_t m)
{
   
systick_t = m;
while(systick_t != 0);
}

代码段 11.3.6 SysTick 中断处理函数（stm32f1xx_it.c）

/*
* @brief This function handles SysTick Handler.
* @param None
* @retval None
*/
void SysTick_Handler(void) {
   
HAL_IncTick();
if(systick_t) {
   
systick_t--; } }
  1. 主函数调用验证
    代码段 11.3.7 SysTick 延时点灯（main.c）
/*
* 初始化滴答时钟
* * 通过改变传入参数改变滴答时钟的频率，即 SysTickDelay(1)的时长
*/
SysTickInit(CYCLE_1MS);
// 初始化 LED
LedGpioInit();
while(1) {
   
/* 通过延时一段时间让 LED 亮灭实现 LED 闪烁，可以通过示波器打 LED 的引脚反转周期，精确看时间是否与设置的一致*/
RLED(ON); // 点亮 LED
SysTickDelay(1000); // 延时 CYCLE_1MS*1000=1s
RLED(OFF); // 熄灭 LED
SysTickDelay(1000); // 延时 CYCLE_1MS*1000=1s
}
  • 5行：初始化SysTick，这里传入CYCLE_1MS，则延时函数“SysTickDelay()”的单位为1毫秒；
  • 7~16行：初始化LED，调用延时函数“SysTickDelay()”，传入1000，则延时为1秒；

11.4实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\4_基础重点—SysTick定时器\”。打开工程后，编译，下载，可以看到红色LED灯间隔1秒，交替闪烁。读者可修改代码段 11.3.7 中的第5行时钟周期，或者13、15行的延时时间，改变LED灯的闪烁间隔时间。

通过LED展示SysTick的延时结果不够严谨，有条件的读者可以使用示波器或逻辑分析仪测试LED灯对应引脚（PB0，在J21_3引出）的翻转时间，如图 11.4.1 所示，分别修改延时时间10us、1ms、1s后逻辑分析仪测量值。

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