STM32系统学习——SysTick（系统定时器）

傷城~ 2022-06-05 12:44 1063阅读 0赞

SysTick系统定时器是属于CM3内核中的一个外设，内嵌在NVIC（嵌套向量中断控制器，控制整个芯片中断相关的功能，它与内核紧密藕合，是内核中的一个外设）中。系统定时器是一个24位的向下递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，一般我们设置系统时钟SYSCLK为72MHZ，当重装载数值寄存器的值递减为0时，系统定时器就产生一次中断，以此循环往返。  
因为SysTick是属于CM3内核的外设，所以所有基于CM3内核的单片机都具有这个系统定时器，这使得软件在CM3单片机中可以很容易被移植。系统定时器一般用于操作系统，用于产生时基，维持操作系统的心跳。

一、SysTick寄存器介绍  
SysTick系统定时器中有4个寄存器，分别是：  
CTRL——SysTick控制及状态寄存器  
LOAD——SysTick重装载数值寄存器  
VAL——SysTick当前数值寄存器  
CALIB——SysTick校准数值寄存器  
在使用SysTick产生定时的时候，只需要配置前3个寄存器，最后一个校准寄存器不需要使用。

二、SysTick定时实验  
创建两个文件bsp\_SysTick.c和bsp\_SysTick.h用来存放SysTick驱动程序及相关宏定义，中断服务函数放在stm32f10x\_it.h中。要点在于1）设置重装载寄存器的值；2）清楚当前数值寄存器的值；3）配置控制与状态寄存器。  
1、SysTick配置库函数

代码清单——SysTick配置库函数

__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
     {
     // 不可能的重装载值，超出范围
     if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) {
     return (1UL);
     }
    
     // 设置重装载寄存器
     SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL);
    
     // 设置中断优先级
     NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);
    
     // 设置当前数值寄存器
     SysTick->VAL = 0UL;
    
     // 设置系统定时器的时钟源为 AHBCLK=72M
     // 使能系统定时器中断
     // 使能定时器
     SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
     SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
     SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
     return (0UL);
     }

用固件库编程时我们只需要调用库函数SysTick\_Config()即可，形参ticks用来设置重装载寄存器的值，再大不超过重装载寄存器的值2^24，当重装载寄存器的值递减到0的时候产生中断，然后重装载寄存器的值又重新装载往下递减计数，以此循环往复。随后设置好中断优先级，最后配置系统定时器的时钟等于AHBCLK=72MHZ，使能定时器和定时器中断，这样系统定时器就配置好了。  
SysTick\_Config()库函数主要配置了SysTick中的3个寄存器：LOAD、VAL和CTRL。

2、配置SysTick中断优先级  
SysTick\_Config()库函数还调用了固件库NVIC\_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该函数也在core\_m3.h中定义。

代码清单——配置SysTick中断优先级

_STATIC_INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)
     {
     if ((int32_t)IRQn < 0)
      {
     SCB->SHP[(((uint32_t)(int32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] =
     (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
     }
    else 
    {
     NVIC->IP[((uint32_t)(int32_t)IRQn)] =
     (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
     }
     }

函数首先判断形参IRQn的大小，如果小于0，则表示这个是系统异常，系统异常的优先级由内核外设SCB的寄存器SHPRx控制；如果大于0，则是外部中断，外部中断的优先级由内核外设NVIC中的IPx寄存器控制。  
因为SysTick属于内核外设 ，与普通外设的中断优先级有些区别，并没有 抢占优先级和子优先级的说法。在STM32F103中，内核外设的中断优先级由内核SCB这个外设的寄存器SHPRx（x=1~3）来配置。  
SPRH1~SPRH3是一个32位的寄存器，但是只能通过字节访问，每8个字段控制一个内核外设的中断优先级的配置。STM32F103中，只有位7~位3这高4位有效，低4位没有用到，所以内核外设的中断优先级可编程为0~15，只有16个编程优先级，数值越小优先级越高。  
在系统定时器中，配置优先级为(1UL << \_\_NVIC\_PRIO\_BITS) - 1UL)，其中宏  
\_\_NVIC\_PRIO\_BITS 为 4，那计算结果就等于 15，可以看出系统定时器此时设置的优先级  
在内核外设中是最低的，如果要修改优先级则修改这个值即可，范围为：0~15。

设置系统定时器中断优先级
            NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

以上是内核的外设优先级设置，如果同时使用了SysTick和片上外设呢 ？  
比如配置一个外设的中断优先级分组为2，抢占优先级为1，子优先级为1，SysTick的优先级为固件库默认配置的15。当我们比较内核外设和片上外设的时候，我们只需要抓住NVIC的中断优先级分组不仅对片上外设有效，同样对内核的外设也有效，把SysTick的优先级15转换成二进制就是1111（0b），又因为NVIC的优先级分组为2，那么前两位的11（0b）也是3，后两位也是3，无论从抢占还是子优先级都比我们设定的外设的优先级低。如果2个软件优先级配置成一样，那就比较硬件编号，编号越小，优先级越高。

3、SysTick初始化函数

代码清单——SysTick初始化

/** * @brief 启动系统滴答定时器 SysTick */
     void SysTick_Init(void)
     {
     /* SystemFrequency / 1000 1ms 中断一次 * SystemFrequency / 100000 10us 中断一次 * SystemFrequency / 1000000 1us 中断一次 */
     if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000)) {
     /* Capture error */
     while (1);
     }
     }

SysTick初始化函数由用户编写，里面的SysTick\_Config（）固件库函数，通过设置该固件库的形参，就决定了系统定时器经过多少时间产生一次中断。

4、SysTick\_Config中断时间的计算  
SysTick 定时器的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间 T (DEC) =1/CLK (AHB) ，当重装载寄存器中的值 VALUE (LOAD) 减到 0 的时候，产生中断，可知中断一次的时间T (INT) =VALUE (LOAD) \* T (DEC) = VALUE (LOAD) /CLK (AHB) ， 其 中 CLK （AHB） =72MHZ 。 如 果 设 置VALUE (LOAD) 为 72，那中断一次的时间 T (INT) =72/72M=1us。不过 1us 的中断没啥意义，整个程序的重心都花在进出中断上了，根本没有时间处理其他的任务。  
SysTick\_Config(SystemCoreClock / 100000))  
SysTick\_Config（）的形我们配置为 SystemCoreClock / 100000=72M/100000=720，从刚刚分析我们知道这个形参的值最终是写到重装载寄存器 LOAD 中的，从而可知我们现在把SysTick 定时器中断一次的时间 T (INT) =720/72M=10us。

5、SysTick定时时间的计算  
设置好T（INT）后，可以设置一个变量t,用来记录进入中断的次数，那么用变量t乘以中断的时间T(INT)，就可以计算出需要定时的时间。

6、SysTick定时函数  
定义一个微妙级别的延时函数，形参为nTime，用这个形参乘以中断时间T（INT）就得出我们需要的延时时间。

代码清单——SysTick定时函数

/** * @brief us 延时程序,10us 为一个单位 * @param * @arg nTime: Delay_us( 1 ) 则实现的延时为 1 * 10us = 10us * @retval 无 */
     void Delay_us(__IO u32 nTime)
     {
     TimingDelay = nTime;
    
     while (TimingDelay != 0);
     }

函数Delay\_us中我们等待TimingDelay为0，当TimingDelay为0时表示延时时间到。即SysTick每进行一次中断（10us），TimingDelay递减一次。

7、SysTick中断服务函数

void SysTick_Handler(void)
     {
     TimingDelay_Decrement();
     }

中断复位函数调用了另外一个函数 TimingDelay\_Decrement()，如下

* @attention 在 SysTick 中断函数 SysTick_Handler()调用
     */
     void TimingDelay_Decrement(void)
     {
     if (TimingDelay != 0x00) {
     TimingDelay--;

TimingDelay的值等于延时函数中 传进去的nTime的值，比如nTime=100 000，则延时的时间等于100 000x10us=1s。  
8、main函数

int main(void)
     {
     /* LED 端口初始化 */
     LED_GPIO_Config();
    
     /* 配置 SysTick 为 10us 中断一次,时间到后触发定时中断， *进入 stm32fxx_it.c 文件的 SysTick_Handler 处理，通过数中断次数计时 */
      SysTick_Init();
    
     while (1) 
     {
     LED_ON;
     Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
    
     LED2_ON;
     Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
    
     LED3_ON;
     Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
     }
     }

三、另一种更简洁的定时编程  
SysTick的counter从reloader的值往下递减到0的时候，CTRL寄存器的位16：countflag会置1，且读取该位的值可清0，所以可以使用软件查询的方法实现延时。

代码清单——SysTick微秒级延时

void SysTick_Delay_Us( __IO uint32_t us)
     {
     uint32_t i;
     SysTick_Config(SystemCoreClock/1000000);
    
     for (i=0; i<us; i++) {
     // 当计数器的值减小到 0 的时候，CRTL 寄存器的位 16 会置 1
     while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );
     }
     // 关闭 SysTick 定时器
     SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
     }

代码清单——SysTick毫秒级延时

void SysTick_Delay_Ms( __IO uint32_t ms)
     {
     uint32_t i;
     SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
    
     for (i=0; i<ms; i++) {
     // 当计数器的值减小到 0 的时候，CRTL 寄存器的位 16 会置 1
     // 当置 1 时，读取该位会清 0
     while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );
     }
     // 关闭 SysTick 定时器
     SysTick->CTRL &=~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
     }

代码清单——SysTick配置函数

// 这个 固件库函数 在 core_cm3.h 中
     static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
     {
     // reload 寄存器为 24bit，最大值为 2^24
     if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) return (1);
    
     // 配置 reload 寄存器的初始值
     SysTick->LOAD = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;
    
     // 配置中断优先级为 1<<4 -1 = 15，优先级为最低
     NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1); 
     // 配置 counter 计数器的值
     SysTick->VAL = 0; 
     // 配置 systick 的时钟为 72M
     // 使能中断
     // 使能 systick
     SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
     SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
     SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
     return (0);
     }

> 引用《STM32库开发实战指南》