【STM32】TIM定时器定时中断与定时器外部时钟的使用

TIM定时器定时中断与定时器外部时钟的使用

一、TIM定时器简介
- 1、TIM（Timer）定时器
- 2、定时器类型
- 3、高级定时器
- 4、通用定时器
- 5、基本定时器
- 6、定时中断基本结构
- - 代码编写：定时中断/外部时钟定时中断
- 7、预分频器时序
- 8、计数器时序
- 9、计数器无预装时序（没有缓冲寄存器/影子寄存器）
- 10、计数器有预装时序（有缓冲寄存器/影子寄存器）
- 11、RCC时钟树

一、TIM定时器简介

1、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
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
- 72M/65536/65536 = 中断频率
- 时间= 1/中断频率 = 59.65s
计数器：用来执行计数定时的一个寄存器，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，让这个计数更加灵活
自动重装寄存器：就是计数的目标值，就是要计多少个时钟申请中断
以上这些寄存器构成了定时器最核心的部分，这一块电路称为时基单元
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

2、定时器类型

在这里插入图片描述
STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4

3、高级定时器

在这里插入图片描述

4、通用定时器

时钟使用：内部与外部均可使用
计数模式：向上计数，向下计数，中央对齐计数

在这里插入图片描述
时基单元以上部分是内外时钟源选择和主从触发模式的结构
TRGI当做外部时钟来使用的时候，这一路就叫做“外部时钟模式1"

通用定时器和高级定时器的计数器支持向上计数模式，向下计数模式和中史对齐模式
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。
中央对齐计数模式，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。

5、基本定时器

只能选择内部时钟，计数模式只有向上计数

在这里插入图片描述
内部时钟频率72MHZ输入到时基单元：预分频器进行分频，计数器自增，计数值与自动重装寄存器的值进行比较，当两值相同时，产生中断

预分频器：对输入的基准频率提前进行一个分频的操作
寄存器 = 0时为1分频
寄存器=1时为2分频…以此类推，即实际分频系数=预分频器值+1
预分频器为16位，最大可分频65536
计数器（向上计数）：这个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，计数器的值加1
计数器为16位，计数器的范围为0-65535，超过65535，计数器回到0重新开始计数，所以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，完成了定时的任务。
自动重装寄存器（16位寄存器）：存储计数目标值的寄存器
在运行的过程中，数值不断自增，自动重装值是固定的目标，当计数值等于自动重装值时，也就是计时时间到了，此时产生中断信号，并且清零计数器，计数器开始下一次的计数计时

计数值等于自动重装值产生的中断称为“更新中断”，这个更新中断之后就会通往NVIC，再配置好NVIC的定时器通道，那定时器的更新中断就能够得到CPU的响应了
图上画的一个向上的折线箭头，就代表这里会产生中断信号
向下的箭头，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

6、定时中断基本结构

在这里插入图片描述
中断输出控制就是一个中断输出的允许位

代码编写：定时中断/外部时钟定时中断

步骤：
1、RCC开启时钟
2、选择时基单元的时钟源—选择内部时钟源
3、配置时基单元—包括预分频器、自动重装器、计数模式等
4、配置输出中断控制，允许更新中断输出到NMIC
5、配置NVIC，在NVIC中打开定时器中断的通道，并分配一个优先级
6、运行控制
7、使能计数器

// 定时器中断程序(使用内部时钟)：定时器每秒计数加1，输出到OLED进行显示

// timer.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

extern uint16_t Num;

void Timer_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    TIM_InternalClockConfig(TIM2);
    
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 时钟分频
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;// 计数模式
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;//ARR自动重装器值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;// 预分频器的值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;// 重复计数器的值（用于高级定时器）
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
    
    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);  // 解决刚初始化完就进入中断的问题
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
    {
        Num ++;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

// main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"

uint16_t Num;

int main(void)
{
    OLED_Init();
    Timer_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "Num:");
    
    while (1)
    {
        OLED_ShowNum(1, 5, Num, 5);
    }
}

// 定时器外部时钟:
$\quad$ 使用对射式红外传感器的DO引脚接PA0，配置为上拉输入，配置定时器外部时钟模式
$\quad$ 使用挡光片遮挡一次，次数加1，OLED显示计数值

// timer.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

 extern uint16_t Num;
  
void Timer_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    //配置外部时钟模式--注意参数的填写
    TIM_ETRClockMode2Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0x0F);
    
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
    
    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

uint16_t Timer_GetCounter(void)
{
    return TIM_GetCounter(TIM2);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
    {
        Num ++;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}


// main.c 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"

uint16_t Num;

int main(void)
{
    OLED_Init();
    Timer_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "Num:");
    OLED_ShowString(2, 1, "CNT:");
    
    while (1)
    {
        OLED_ShowNum(1, 5, Num, 5);
        OLED_ShowNum(2, 5, Timer_GetCounter(), 5);
    }
}

浮空输入使用场景：外部的输入信号功率很小，内部的这个上拉电阻可能会影响到这个输入信号，使用浮空输入，防止影响外部输入的电平

7、预分频器时序

在这里插入图片描述

一个计数周期的工作流程：

$\quad$ CK PSC，预分频器的输入时钟，选内部时钟的话一般是72MHZ，时钟在不断地运行，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，它既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入（开始时，计数器未使能，计数器时钟不运行，然后使能后，前半段，预分频器系数为1，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，计数器的时钟就也变为预分频器前时钟的一半），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，在中间的这个位置FC之后，计数值变为0，可以推断出ARR自动重装值就是FC，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。
$\quad$ 下方三行时序，描述的是这个预分频寄存器的一种缓冲机制，也就是这个预分频寄存器实际上是有两个，一个是预分频控制寄存器，供我们读写用的，它并不直接决定分频系数，另外还有一个缓冲寄存器或者说是影子寄存器，这个缓冲寄存器才是真正起作用的寄存器（比如我们在某个时刻，把预分频寄存器由0改成了1，如果在此时立刻改变时钟的分频系数，那么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，计数计到一半，计数频率突然改变，一般不会有什么问题，但还是设计缓冲寄存器，当计数计到一半的时候改变了分频值，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，才会生效），预分频器内部实际上也是靠计数来分频的，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、0、1、0、1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，预分频器的值和实际的分频系数之间有一个数的偏移。
计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)
如 1分频计算频率：72M/(1+1) = 36M

8、计数器时序

分频因子为2即分频系数为2
在这里插入图片描述

计数器的工作流程：

$\quad$ 第一行是内部时钟72MHZ，第二行是时钟使能，高电平启动，第三行是计数器时钟，因为分频系数为2，所以这个频率是72M除2，然后计数器在这个时钟每个上升沿自增，当增到0036的时候，发生溢出，那计到36之后，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，然后中断响应后，需要在中断程序中手动清零。
计数器溢出频率：
CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1)
= CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

9、计数器无预装时序（没有缓冲寄存器/影子寄存器）

在这里插入图片描述

无预装时序情况：

$\quad$ 计数器正在进行自增计数，突然更改了自动加载寄存器，就是自动重装寄存器，由FF改成了36，那计数值的目标值就由FF变成了36，所以这里计到36之后，就直接更新，开始下一轮计数

10、计数器有预装时序（有缓冲寄存器/影子寄存器）

通过设置ARPE位，就可以选择是否使用预装功能
在这里插入图片描述
$\quad$ 在计数的中途，突然把计数目标由F5改成了36，可以看到下面有个影子寄存器，这个影子寄存器才是真正起作用的，它还是F5，所以现在计数的目标还是计到F5，产生更新事件，同时，要更改的36才被传递到影子寄存器，在下一个计数周期这个更改的36才有效。
$\quad$ 所以可以看出，引入这个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。无预装时序中不使用影子寄存器的话，F5改到36立刻生效，但此时计数值已经到了F1，已经超过36了，F1只能一直加到FFFF后回到0，再加到36才能产生更新，此时就会产生一些问题。