TIM(Timer定时器)简介
在第一部分,我们主要讲的是定时器基本定时的功能,也就是定一个时间,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,都需要定时中断的功能,在第二部分,我们主要讲的是定时器输出比较的功能,输出比较这个模块最常见的用途就是产生PWM波形,用手驱动电机等设备,在这个部分,我们将会学习到,使用STM32输出的PWM波形,来驱动舵机和直流电机的例子,在第三部分,我们主要讲的是定时器输入捕获的功能,在这部分,我们将会学习使用输入捕获这个模块来实现测量方波频率的例子,在第四部分,我们再来学习一下定时器的编码器接口,使用这个编码器接口,能够更加方便地读取正交编码器的输出波形,在编码电机测速中,应用也是非常广泛的
使用定时器的外部时钟,可以提供一个更加精准的时钟来计时;或者也可以把外部时钟当做一个计数器,用来统计引脚上电平翻转的次数,毕竟定时器本质上就是一个计数器
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(定时器最基本的功能,就是定时触发中断,定时器也是一个计数器,当这个计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟的时候,那它在对这个基准时钟进行计数的过程,实际就是计时的过程,比如在STM32中,定时器的基准时钟一般都是主频72MHz,如果我对72MHz计72个数,那就是1MHz也就是1us的时间)
16位计数器(这里计数器就是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(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(自动重装寄存器就是计数的目标值,就是我想要计多少个时钟申请中断)的时基单元(这些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,这个时基单元里面的计数器、预分频器、自动重装寄存器都是16位的,2的6次方是65536,也就是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是59.65s,接远一分钟),在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时(如果你嫌这个时间还不够长,STM32的定时器还支持级联的模式,也就是一个定时器的输出,当做另一个定时器的输入,最大定时时间就是59.65s再乘以2次65536,8000多年)
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(我们第一部分讲的就是这个定时中断和内外时钟源选择的功能)、输入捕获(第二部分)、输出比较(第三部分)、编码器接口(第四部分)、主从触发模式(第三部分)等多种功能(由手定时器的这个基本结构是非常通用的,很多模块电路都能用到,所以STM32的定时器上拓展了非常多的功能)
根据复杂度和应用场景分为了高级定时器(最复杂)、通用定时器(最常用,课程主要讲这个)、基本定时器(最简单)三种类型
类型 | 编号 | 总线 | 功能 |
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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(这些功能主要是为了三相无刷电机的驱动设计的,本门课程不涉及) |
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(这是STM32定时器的一大特色,就是这个主从触发模式,它能让内部的硬件在不受程序的控制下实现自动运行,在某些情景下将会极大地减轻CPU的负担) |
编号:因为同一个芯片一般都有很多个定时器。所以TIM后面会跟一个数字
除了TIM18,在库函数中还出现了TIM911等等(这些用不到)
其中,高级定时器连接的是性能更高的APB2总线(这个在RCC开启时钟的时候要注意一下)
STM32F103C8T6定时器资源:TIM1、TIM2、TIM3、TIM4(没有基本定时器,不同型号定时器的数量是不同的)
三种定时器的结构和功能
下面那三个寄存器构成时基单元,预分频器之前,连接的就是基准计数时钟的输入,最终来到了这个位置,由于基本定时器只能选择内部时钟,所以你可以直接认为,这根线直接连到了输入端的这里,也就是内部时钟CK_INT,内部时钟的来源是RCC_TIMxCLK,这里的频率值一般都是系统的主频72MHz,预分频器可以对这个72MHz的计数时钟进行预分频,寄存器写0那就是不分频(输出频率=输入频率=72MHz),写1就是二分频(输出频率=输入频率=36MHz),写2就是三分频,以此类推(这个预分频器是16位的,所以最大值可以写65535,也就是65536分频)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,计数器的值就加1,这个计数器也是16位的,所以里面的值可以从0一直加到65535,如果再加的话计数器就会回到0重新开始,当自增到目标值时,产生中断,那就完成了定时的任务,所以现在还需要一个存储目标值的寄存器,那就是自动重装寄存器(也是16位)了,当计数值等于自动重装值时,也就是计时时间到了,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
上图画的一个向上的折线箭头,就代表这里会产生中断信号,上面这种中断,我们一般把它叫作“更新中断”,这个I就会通往NVIC,我们再配置好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
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
主模式触发DAC的作用:这个用途就是在我们使用DAC的时候,可能会用DAC输出一段波形,那就需要每隔一段时间来触发一次DAC,让它输出下一个电压点,我们一般的思路是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,这样也是没问题的,但是这样会使主程序处手频繁被中断的状态,这会影响主程序的运行和其他中断的响应,所以定时器就设计了一个主模式,使用这个主模式可以把这个定时器的更新事件,映射到这个触发输出TRGO(Trigger Out)的位置,然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上,定时器的更新就不需要再通过中断来触发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
中间最核心的部分还是时基单元,不过对于通用定时器而言,这个计数器的计数模式就不止向上计数(计数器从0开始,向上自增,计到重装值,清零同时申请中断,然后循环)这一种了,通用定时器和高级定时器还支持向下计数模式(从重装值开始,向下自减,减到0后,回到重装值同时申请中断,然后循环)和中央对齐模式(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,然后循环)
时基单元上面那一坨结构偶就是内外时钟源选择(对于基本定时器而言,定时只能选择内部时钟。也就是系统频率72MHz,到了通用定时器这里,时钟源不仅可以选择内部的72MHz时钟,还可以选择外部时钟,第一个外部时钟就是来自TIMx_ETR引脚上的外部时钟,这个ETR(External)引脚的位置,可以参考一下引脚定义表,这里我们可以在这个TIM2的ETR引脚,也就是PA0上接一个外部方波时钟,然后配置一下内部的极性选择、边沿检测和预分频器电路,再配置一下输入滤波电路,这两块电路可以对外部时钟进行一定的整形,因为是外部引脚的时钟,所以难免会有毛刺,那这些电路就可以对输入的波形进行滤波,最后,滤波后的信号,兵分两路,上面一路ETRF进入触发控制器,紧跟着就可以选择作为时基单元的时钟了,如果你想在ETR外部引脚提供时钟,或者想对ETR时钟进行计数,就把这个定时器当做计数器来用的话,那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”)和主从触发模式的结构了
下面这里还有一路可以提供时钟,就是TRGI(Trigger In),这一路从名字上来看的话,它主要是用作触发输入来使用的,这个触发输入可以触发定时器的从模式,本小节我们讲的是这个触发输入作为外部时钟来使用的情况,暂且就可以把这个TRGI当做外部时钟的输入来看,当这个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”,那通过这一路的外部时钟都有哪些呢?第一个就是ETR引脚的信号(既可以通过上面一路来当作时钟,又可以通过下面这一路来当作时钟,两种情况对于时钟输入而言是等价的,只不过下面这一路输入会占用触发输入的通道而已),然后第二个,就是ITR信号,这一部分的时钟信号是来自其他定时器的,从右上可以看出,这个主模式的输出TRGO可以通向其他定时器,那通向其他定时器的时候,就接到了其他定时器的ITR引脚上来了,这个ITRO到ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出
具体怎么连接的,手册有一张表
TIM2的ITR0是接在了TIM1的TRGO上的,ITR1接在了TIM8的TRGO上and so on
通过这一路我们就可以实现定时器级联的功能,比如我可以先初始化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,然后后面再选择时钟为外部时钟模式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
这里还可以选择TI1F_ED,这里连接的是输入捕获单无的CH1引脚,也就是从CH1引脚获得时钟,这里后缀加一个ED(Edge)就是边沿的意思,也就是通过这一路输入的时钟,上升沿和下降沿均有效
最后,这个时钟还能通过TI1FP1和TI2FP2获得,其中TI1FP1是连接到了这里,就是CH1引脚的时钟
外部时钟模式1的输入就介绍完了 ,总结一下就是,外部时钟模式1的输入可以是ETR引脚、其他定时器,CH1引脚的边沿,CH1引脚和CH2引脚,一般情况下外部时钟通过ETR引脚就可以了,对于时钟输入而言,最常用的还是内部的72MHz的时钟,如果要使用外部时钟,首选ETR引脚外部时钟模式2的输入,这一路最简单,最直接
右边那里就是定时器的主模式输出了,这部分的电路可以把内部的一些事件映射到这个TRGO引脚上,比如我们刚才讲基本定时器分析的,将更新事件映射到TRGO,用于触发DAC,这里也是一样,它可以把定时器内部的一些事件映射到这里来,用于触发其它定时器,DAC或者ADC,可见这个触发输出的范围是比基本定时器更广一些的
然后是下面的电路,这一部分主要包含了两块电路,右边这一块是输出比较电路,总共有四个通道,分别对应CH1到CH4的引脚,可以用于输出PWM波形,驱动电机,左边这一块是输入捕获电路,也是有四个通道,对应的也是CH1到CH4的引脚,可以用于测输入方波的频率等,中间这个寄存器是捕获/比较寄存器,是输入捕获和输出比较电路共用的,因为输入捕获和输出比较不能同时使用,所以这里的寄存器是共用的,引脚也是共用的,本节主要讲的是定时中断和内外时钟源选择,也用不到这部分电路
带黑色阴影的都带有影子寄存器这样的缓冲寄存器,并且这个缓冲寄存器是用还是不用,是可以自己设置的
高级定时器目前用不到,暂时咱们不学了
定时中断的基本结构
下面这里是运行控制,就是控制寄存器的一些位,比如启动停止,向上或者向下计数等等吗,我们操作这些寄存器就能控制时基单元的运行了,左边是为时基单元提供时钟的部分,这里可以选择RCC提供的内部时钟,也可以选择ETR引脚提供的外部时钟模式2,第一个程序定时器定时中断就是用的内部时钟这一路,第二个定时器外部时钟就是用的外部时钟模式2这一路,当然还可以选择这里的触发输入当做外部时钟,即外部时钟模式1,对应的有ETR外部时钟、ITRx其他定时器、TIx输入捕获通道;编码器模式一般是编码器独用的模式,普通的时钟用不到这个,右边这里,就是计时时间到,产生更新中断后的信号去向,那这里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,为什么会有一个中断输出控制呢?因为这个定时器模块有很多地方需要申请中断,不仅更新要申请中断,这里触发信号也会申请中断,还有下面的输入捕获和输出比较匹配时也会申请,这些中断都要经过中断输出控制,如果需要这个中断,那就允许,如果不需要,那就禁止,简单来说,这个中断输出控制就是一个中断输出的允许位
时基单元运行的一些细节问题
预分频器时序
第一行是CK_PSC,预分频器的输入时钟,一般是72MHz
下面的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
ARR自动重装值就是FC,当计数值计到和重装值相等,并目下一个时钟来临时,计数值才清零
下面那三行时序,这三行时序是什么意思呢?
这里描述的其实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(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,计数频率突然就会改变,这虽然一般并不会有什么问题,但是STM32的定时器比较严谨,设计了这个缓冲寄存器,当我在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,最后这里,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这样计数,回到0的时候,就输出一个脉冲,这样输出频率就是输入频率的二分频,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: C K _ C N T = C K _ P S C / ( P S C + 1 ) CK\_CNT = CK\_PSC / (PSC + 1) CK_CNT=CK_PSC/(PSC+1)
计数器溢出频率: C K _ C N T _ O V = C K _ C N T / ( A R R + 1 ) = C K _ P S C / ( P S C + 1 ) / ( A R R + 1 ) CK\_CNT\_OV = CK\_CNT / (ARR + 1) = CK\_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1) CK_CNT_OV=CK_CNT/(ARR+1)=CK_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)
用72MHz/(PSC+1)/(ARR+1)就能得到溢出频率
计数器无预装时序(无影子寄存器)
通过设置这个ARPE位,就河以选择是否使用预装功能
我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
计数器有预装时序(有影子寄存器)
这个影子寄存器才是真正起作用的,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
如果这张图里面没有影子寄存器的话,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,所以会加到FFFF,然后再从0加到36
RCC时钟树
这个时钟树,就是STM32中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,我们之前说过,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,这个结构看上去挺复杂的,配置起来还是比较麻烦的,不过好在ST公司已经帮我们写好了配置这个时钟树的SystemInit函数
左边的都是时钟的产生电路,右边的都是时钟的分配电路,中间的这个SYSCLK就是系统时钟72MHz,在时钟产生 电路有4个震荡源,分别是内部的8MHz高速RC振荡器,外部的4-16MHz高速石英晶体振荡器,也就是晶振,一般都是接8MHz,外部的32.768KHz低速晶振,这个一般是给RTC提供时钟的,最后是内部的40KHz低速RC振荡器,这个可以给看门狗提供时钟,上面这两个高速晶振,是用来提供系统时钟的,我们的AHB、APB2、APB1的时钟都是来源于这两个高速晶振,这里内部和外部都有一个8MHz的晶振,都是可以用的,只不过是外部的石英振荡器比内部的RC振荡器更加稳定,所以我们一般使用外部晶振,但是如果你系统很简单并且不需要那么精准的时钟,那也是可以使用内部RC振荡器的,这样就可以省下外部晶振的电路了,那在SystemInit函数里,ST是这样来配置时钟的,首先启动内部时钟,选择内部8MHz为系统时钟,暂时以内部的8MHz的时钟运行,然后在启动外部时钟,配置外部时钟走着一路(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);如果你的外部晶振出问题了,可能会导致一个现象,你会发现你程序的时钟大概慢了10倍(自己用定时器定了1s的时间,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,8M相比较72M,大概就慢了10倍 )
这里还有个CSS(Clock Security System),这个是时钟安全系统,它也是负责切换时钟的,它可以监测外部时钟的运行状态,一但外部时钟失效,它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,在高级定时器这里,也有CSS的身影,在这个刹车输入这里,一但CSS检测到外部时钟失效,这里通过或门,就会立刻反应到输出比较这里,让这个输出控制的电机立刻停止,防止意外,这就是STM32里面的一些安全保障措施
接下我们再看一下这右边的时钟分配电路,首先系统时钟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是2,所以APB1总线的时钟为72MHz/2=36MHz,通用定时器和基本定时器是接在APB1上的,而APB1的时钟是36MHz,按理说它们的时钟应该是36MHz,但是我们在说定时器的时候,一直都说的是所有定时器的时钟都是72MHz,原因在,下面还有一条支路,上面写的是, 如果APB1预分频系数=1,则频率不变,否则频率x2,然后再看右边,发现这一路是单独为定时器2-7开通的,因为那里预分频系数我们给的是2,所以这里频率要再乘以2,所以通向定时器2-7的时钟,就又回到了72MHz,所以三种定时器的时钟频率都是72MHz,当然前提是你不乱改它SystemInit里面的默认配置,要是改了,这里的时钟还得再另行分析
然后我们再看一下下面,APB2的时钟,这里给的分频系数为1,所以APB2的时钟和AHB一样,都是72MHz,这里接在APB2上的高级定时器也单开了一路,上面写的也是如果APB2预分频系数=1,则频率不变,否则频率x2,但是这里APB2的预分频系数就是1,所以频率不变,定时器1和8的时钟就是72MHz,那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
剩下的还有一些给ADC、SDIO等等这些提供时钟的电路,因为目前用不上,后面自己看看