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果果小师弟 · 2021年09月27日

使用SysTick实现多组软件定时器功能

嵌入式系统C

摘要：在单片机中，一想到定时器可能就会想到通用定时器(TIM2 ~ TIM5 和 TIM9 ~ TIM14)或者高级定时器(TIM1和TIM8)。这些定时器的功能很强大，除了基本的功能就是定时，还可以可以测量输入信号的脉冲宽度，可以生产输出波形。

当然使用起来相对也比较复杂。如果我们的项目只想要定时的功能，使用这些定时器可能就有点不必要了，其实系统定时器SysTick也可以实现软件定时，只不过在裸机中我们大多是只是把他当做延时功能使用。

一、SysTick简介

SysTick—系统定时器是属于CM4内核中的一个外设，内嵌在NVIC中。一般我们叫他系统定时器或者滴答定时器。是一个24bit的向下递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，当重装载数值寄存器的值递减到 0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。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。比如RTOS的心跳就是SysTick产生的。

二、SysTick寄存器

SysTick—系统定时有4个寄存器，简要介绍如下。在使用SysTick产生定时的时候，只需要配置前三个寄存器，最后一个校准寄存器不需要使用。

SysTick—系统定时器是属于 CM4内核中的一个外设,所以在core_cm4.h文件中可以看对它对应结构体的介绍。

三、配置SysTick寄存器

Systick是一个 24 位的递减计数器，我们仅需掌握ARM的CMSIS软件提供的一个函数

SysTick_Config即可，原代码如下：

__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,优先级最低
    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=180M
    // 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);
}

  • 第 2024 行，函数的形参用于配置滴答定时器 LOAD 寄存器的数值，由于滴答定时器是一个递减计数器，启动后是将LOAD寄存器的数值赋给VAL寄存器，然后VAL寄存器做递减操作，等递减到 0 的时候重新加载LOAD寄存器的数值继续做递减操作。
    函数的形参表示内核时钟多少个周期后触发一次 Systick 定时中断，比如形参配置为如下数值。
-- SystemCoreClock / 1000 表示定时频率为 1000Hz， 也就是定时周期为 1ms。
-- SystemCoreClock / 500 表示定时频率为 500Hz， 也就是定时周期为 2ms。
-- SystemCoreClock / 2000 表示定时频率为 2000Hz， 也就是定时周期为 500us。
注：SystemCoreClock 是 STM32F407 的系统主频 168MHz。
  • 第 2029 行，此函数设置滴答定时器为最低优先级。
  • 第 2032 行，配置滴答定时器的控制寄存器，使能滴答定时器中断。滴答定时器的中断服务程序实现比较简单，没有清除中断标志这样的操作，仅需填写用户要实现的功能即可。

用固件库编程的时候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，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。紧随其后设置好中断优先级，最后配置系统定时器的时钟，使能定时器和定时器中断，这样系统定时器就配置好了，一个库函数搞定。

四、SysTick实现延时功能

实现延时功能就很简单了，调用SysTick_Config函数，将定时器的重装载值传递进去就可以了，然后结合时钟就可以定时中断。

那这个参数到底是怎么设置的呢？

答：SystemCoreClock是固件中定义的系统内核时钟，对于STM32F4xx，一般为 168MHz，不要跟我说你的SystemCoreClock是160MHz。

SysTick定时器的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间$T_{DEC}=\frac{1}{CLK_{\mathrm{AHB}}}$，当重装载寄存器中的值$LOAD$减到0的时候，产生中断，可知中断一次的时间

$T_{\mathrm{INT}}= LOAD * \frac{1}{CLK_{\mathrm{AHB}}}$ =$\frac{LOAD}{CLK_{\mathrm{AHB}}}$，

其中${CLK_{\mathrm{AHB}}}$ $=$ SystemCoreClock $=168 \mathrm{MHz}$。如果设置为168，那中断一次的时间$T_{\mathrm{INT}}$=$168/168MHz = 1us$。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。所以我们设置重装载值为SystemCoreClock / 1000 =168 0000，那中断一次的时间T_INT = 168 0000/168MHz = 1ms。因此也就不难理解：

SystemCoreClock / 1000  表示定时频率为 1000Hz， 也就是定时周期为  1ms
SystemCoreClock / 500   表示定时频率为 500Hz，  也就是定时周期为  2ms
SystemCoreClock / 2000  表示定时频率为 2000Hz， 也就是定时周期为  500us

对于常规的应用，我们一般取定时周期1ms。对于低速CPU或者低功耗应用，可以设置定时周期为 10ms。

然后定时周期设置好了以后，等到时间到了，就会跳转到SysTick 定时器中断服务函数中，这个函数在stm32fxxx.it.c文件中。如果你想改变这里面的代码，或者在别的地方重写，就要注释掉这个函数。

void SysTick_Handler(void)
{
    TimingDelay_Decrement();    
}

五、SysTick实现多组软件定时

前面是铺垫，讲的是SysTick的基础知识。下面才是重点，既然是一个定时器，我们就不能简单是使用他的延时功能。在单片机中，一想到定时器可能就会想到通用定时器(TIM2 ~ TIM5 和 TIM9 ~TIM14)或者高级定时器(TIM1 和 TIM8)。这些定时器的功能很强大，除了基本的功能就是定时，还可以可以测量输入信号的脉冲宽度，可以生产输出波形。当然使用起来也比较麻烦，如果我们的项目只想要定时的功能，使用这些定时器可能就有点不必要了，其实系统定时器SysTick也可以实现软件定时，只不过在裸机中我们大多是只是把他当做延时功能使用。

既然要实现定时功能，我们肯定需要定时不同的时间，比如定时500ms，LED灯翻转一次。定时200ms，蜂鸣器响一次等等。所以为了实现多组延时我们就需要一个结构体。

1、定时器结构体

/* 定时器结构体，成员变量必须是 volatile, 否则C编译器优化时可能有问题 */
typedef struct
{
    volatile uint8_t Mode;        /* 计数器模式，1次性 */
    volatile uint8_t Flag;        /* 定时到达标志  */
    volatile uint32_t Count;    /* 计数器 */
    volatile uint32_t PreLoad;    /* 计数器预装值 */
}SOFT_TMR;
  • Mode：计数器模式，1次性还是多次。
  • Flag：定时到达标志，定时时间到了，flag为1。
  • Count：计数器。
  • PreLoad：计数器预装值 。

然后定义一个结构体数组变量，因为是多组软件定时。

#define TMR_COUNT    4        /* 软件定时器的个数 （定时器ID范围 0 - 3) */
/* 定于软件定时器结构体变量 */
static SOFT_TMR s_tTmr[TMR_COUNT];

在此定义若干个软件定时器全局变量。这里必须增加__IO即volatile，因为这个变量在中断和主程序中同时被访问，有可能造成编译器错误优化。TMR_COUNT是定时器的个数，你可以设置为其他值，实现多个定时器。

2、定时器初始化

定时器初始化主要是清空结构体变量的值，然后只需要调用SysTick_Config();函数即可，这在前面已经详细的介绍过了。

void Soft_TimerInit(void)
{
    uint8_t i;
    /* 清零所有的软件定时器 */
    for (i = 0; i < TMR_COUNT; i++)
    {
        s_tTmr[i].Count = 0;
        s_tTmr[i].PreLoad = 0;
        s_tTmr[i].Flag = 0;
        s_tTmr[i].Mode = TMR_ONCE_MODE;    /* 缺省是1次性工作模式 */
    }
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);/*SystemCoreClock / 1000是重装载寄存器的值LOAD*/    
}

3、启动定时器

这个函数主要给定时器赋重装载值。结构体变量赋值前后做了开关中断操作，因为此结构体变量在滴答定时器中断里面也要调用，防止变量赋值出问题。重装载值赋值完成了程序就可以周期性的进行定时中断了，也就是到定时器中断服务函数中执行相应代码了。

void StartTimer(uint8_t _id, uint32_t _period)
{
    DISABLE_INT(); /* 关中断 */    
    s_tTmr[_id].Count = _period;        /* 实时计数器初值 */
    s_tTmr[_id].PreLoad = _period;        /* 计数器自动重装值，仅自动模式起作用 */
    s_tTmr[_id].Flag = 0;                /* 定时时间到标志 */
    s_tTmr[_id].Mode = TMR_ONCE_MODE;    /* 1次性工作模式 */    
    ENABLE_INT();                  /* 开中断 */
}
void SysTick_Handler(void)
{
  SysTick_ISR();    /* 滴答定时中断服务程序 */
}

4、定时器中断服务函数

比如我们设置定时器的定时周期为1ms，那么每隔1ms程序就会进入SysTick_Handler中一次，在SysTick_Handler函数中调用SysTick_ISR函数来对软件定时器的计数器进行减一操作，因为这里设置了TMR_COUNT组软件定时，就需要对每一组的count进行减一操作，如果定时器变量减到1则设置定时器到达标志，表示定时结束。

void SysTick_ISR(void)
{
    uint8_t i;
    /* 每隔1ms，对软件定时器的计数器进行减一操作 */
    for (i = 0; i < TMR_COUNT; i++)
    {
        SoftTimerDec(&s_tTmr[i]);
    }
}

static void SoftTimerDec(SOFT_TMR *_tmr)
{
    if (_tmr->Count > 0)
    {
        /* 如果定时器变量减到1则设置定时器到达标志 */
        if (--_tmr->Count == 0)
        {
            _tmr->Flag = 1; /* Flag = 1 在检查定时器时间中会用到 */
        }
    }
}

5、检测定时器是否超时

前面已经打开了软件定时器，那么在程序中就需要来检测定时时间是否到达。比如我定时了500ms，500ms时间到了我要干什么，就需要有一个函数来检测定时器是否超时，如果没有超时无操作，如果时间已经到Flag就会等于1，需要重新将其清0。简单来说这个函数就是清0标志位的。

uint8_t CheckTimer(uint8_t _id)
{
    /*判断时间到标志值 Flag 是否置位，如果置位表示时间已经到，如果为 0，表示时间还没有到*/
    if (s_tTmr[_id].Flag == 1)
    {
        s_tTmr[_id].Flag = 0;
        return 1;
    }
    else
    {
        return 0;
    }
}

至此使用SysTick滴答定时器做软件定时器就已经完成，下面看一下如何使用。

六、实验例程

int main(void)
{
    HAL_Init(); //初始化HAL库 
    Stm32_Clock_Init();//初始化系统时钟 
    Soft_TimerInit();    //初始化软件定时器
    Bsp_Init();//初始化底层硬件 
    StartAutoTimer(0, 1000);    /* 启动1个1000ms的自动重装的定时器 */        
    StartAutoTimer(1, 500);        /* 启动1个500ms的自动重装的定时器 */        
    StartAutoTimer(2, 200);        /* 启动1个200ms的自动重装的定时器 */        
    StartAutoTimer(3, 100);        /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */        
    while(1)
    {
        if (CheckTimer(0))
        {
            /* 每隔1000ms 进来一次. */
            ......执行相应代码.......
        }
        if (CheckTimer(1))
        {
            /* 每隔500ms 进来一次. */
            ......执行相应代码.......
        }
        if (CheckTimer(2))
        {
            /* 每隔200ms 进来一次.*/
            ......执行相应代码.......
        }
        if (CheckTimer(3))
        {
            /* 每隔100ms 进来一次.*/
            ......执行相应代码.......
        }
    }
}

七、驱动移植和使用

可以直接把文件移植到你的工程中使用。按键移植步骤如下：

  1. 第1步：复制timer.c和timer.h到自己的工程目录，并添加到工程里面。
  2. 第2步：根据需要的宏定义个数，修改下面的宏定义即可
#define TMR_COUNT 4/*软件定时器的个数（定时器ID范围0-3）*/

源码以上传至gitee仓库。

https://gitee.com/zhiguoxin/Wechat-Data.git

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