STM32F4基本定时器使用和原理详解

前言
如何确定定时器挂载在哪条时钟线上
配置及使用方法
- 参数配置
- - Prescaler
  - Counter Mode
  - Counter Period
  - auto-reload preload
  - Trigger Event Selection
- 中断配置
- 生成的代码及使用方法
- - 初始化代码
  - 基本定时器触发DCA或者ADC的代码讲解
  - 中断代码
  - 定时启动和停止
  - 实验现象
深入原理剖析
- 基本定时器原理
- - 时基单元
  - 计数模式
  - - 自动重载预装载使能位（ARPE）的不同配置
    - 软件使能UG产生更新事件
- 寄存器剖析
参考文献

前言

STM32的定时器非常强大，我计划分好几篇文章来细讲。本文介绍基本定时器的原理和使用方法。而通用定时器和高级定时器都是从基本定时器扩展丰富而来，所以先把基本定时器掌握了，为下一步掌握更高级的定时器打好基础。
STM32中，基本定时器有TIM6和TIM7，我们就以这两个定时器说起。TIM2-TIM5 和 TIM9-TIM14是通用定时器，而TIM1和TIM8是高级控制定时器。

如何确定定时器挂载在哪条时钟线上

在配置之前先考虑一个问题：
如何确认某个定时器，或者说某外设挂载在哪条时钟线上？这个问题至关重要。因为我们要计算预分频系数和重装载值，这对定时器的使用很重要。
下面贴出来相关寄存器的细节，供大家学习。
在这里插入图片描述

在上面的图片中，相信大家看出来了，每个外设的时钟在哪里使能，它就挂载在哪条时钟线上。那么每条时钟线的时钟频率是多少？在下图：

回到今天的主题，基础定时器的配置。定时器6和定时器7在APB1时钟上，这条时钟线的频率是84MHz。

配置及使用方法

关于配置基本定时器，请看下图：
在这里插入图片描述
首先，我们在左边选择要配置的定时器。比如选择TIM6或者TIM7，之后右上方Activated勾选，即使能定时器。
One Pulse Mode：单脉冲模式。如果打勾了，就使能了单脉冲模式。换句话讲，如果就希望计数一次，溢出了就停止，那么就将这里打勾。我希望周期计数，那么这里不打勾。

下面的配置项有参数配置和中断配置。

参数配置

Prescaler

预分频器系数，用于将定时器的输入时钟分频后使用。比如TIM6和TIM7使用的是APB1，这条时钟线的频率是84MHz。我输入预分频系数是8400-1，那么定时器实际计数的时钟频率是：84M/8400 = 10KHz。
为啥要减一？
在这里插入图片描述
PSC[15:0]：预分频器值 (Prescaler value)
计数器时钟频率 CK_CNT 等于 fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。
PSC 包含在每次发生更新事件时要装载到实际预分频器寄存器的值。
注意：这里是16位寄存器，只能写进去小于等于65535的数字。

Counter Mode

计数模式，对于TIM6和TIM7，只有递增计数，也就是Up。没有递减计数模式。

Counter Period

计数周期，也就是递增计数到哪个数字就算溢出，然后重新开始从0计数。计数器就像阶梯状的图形，时钟每过一个上升沿，计数值加一。这里输入了5000-1，也即是计数5000次。那么定时器溢出一次用时多久？
我们先回顾一下，定时器实际计数的时钟是分频后的时钟，刚才我们计算得出10KHz，也即是说，周期是0.1ms。那么计数5000次，用时就是0.1*5000 = 500ms，也即是0.5秒。

auto-reload preload

自动重载预装载是否使能，具体操作的是下面的寄存器。在这里插入图片描述
插入一句，请看图片上OPM字段，单脉冲模式。回顾刚才配置界面上的One Pulse Mode，如果打勾了，这里就是1，使能了单脉冲模式。换句话讲，如果就希望计数一次，溢出了就停止，不产生周期的计数循环，那么就将这里打勾。

先介绍一下，自动重装载寄存器像是幕后老板，实际干活的是它的影子寄存器。那么问题来了，老板的数据如果更新了，什么时候把数据给到实际干活的打工仔呢？
ARPE=0：自动重载寄存器（TIMx_ARR）的内容直接写入影子寄存器，修改立即生效。
ARPE=1：自动重载寄存器（TIMx_ARR）的内容需要等到更新事件（UEV）发生时才会被加载到影子寄存器，修改延迟生效。

如果我们选择Enable，那么ARPE的值就是1，带来的结果就是自动重载寄存器（TIMx_ARR）的内容需要等到更新事件（UEV）发生时才会被加载到影子寄存器，修改延迟生效。在手册里的描述就是“进行缓冲”。

Trigger Event Selection

主模式触发事件选择，实际操作的是下面的寄存器。关于主模式和从模式，下面有详细解释。
在这里插入图片描述

中断配置

在这里插入图片描述
这里打勾即可。具体的优先级设置在NVIC里面。

生成的代码及使用方法

初始化代码

void MX_TIM6_Init(void)
{
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  htim6.Instance = TIM6;
  htim6.Init.Prescaler = 8400-1;
  htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim6.Init.Period = 5000-1;
  htim6.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim6) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim6, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

从上面的代码可以看出，我们配置的参数已经被赋值到变量中了。这些变量被写进寄存器，是HAL_TIM_Base_Init函数的任务。
而HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization函数用于设置主从模式。TIM6和TIM7只有主模式，那么这个函数在这里就是在设置主模式在什么情况下触发DAC或者ADC。所谓的触发，说的彻底点，DAC或者ADC就相当于准备冲锋的士兵，而TIM6或者TIM7就是司令，士兵已经准备就绪了，就等司令的命令。当定时器定时溢出的时候，就下达命令要求DAC或者ADC启动。这里请注意，TIM6支持触发DAC和ADC，而TIM7只支持DAC。

定时器	DAC 触发支持	ADC 触发支持	说明
TIM6	✅ 支持	✅ 支持	可通过更新事件（UEV）触发 DAC 和 ADC，是 ADC 规则组触发的常用选择。
TIM7	✅ 支持	❌ 不支持	仅能触发 DAC，无法触发 ADC（硬件设计限制）。

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Init(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  /*这里删减了部分无关紧要的代码*/
  if (htim->State == HAL_TIM_STATE_RESET)
  {
    /* Allocate lock resource and initialize it */
    htim->Lock = HAL_UNLOCKED;

    /* Init the low level hardware : GPIO, CLOCK, NVIC */
    HAL_TIM_Base_MspInit(htim);

  }

  /* Set the TIM state */
  htim->State = HAL_TIM_STATE_BUSY;

  /* Set the Time Base configuration */
  TIM_Base_SetConfig(htim->Instance, &htim->Init);

  /* Initialize the TIM state*/
  htim->State = HAL_TIM_STATE_READY;

  return HAL_OK;
}

上面的代码被我删除了无关代码，可以让我们更容易理解。可以看到先是调用了HAL_TIM_Base_MspInit，这函数是空的，相当于提供了接口由用户根据需要写相关的代码。之后调用TIM_Base_SetConfig将初始化的参数写进寄存器。详情如下：
在这里插入图片描述

关于上面判断的宏定义列举如下：

/****************** TIM Instances : supporting counting mode selection ********/
#define IS_TIM_COUNTER_MODE_SELECT_INSTANCE(INSTANCE)  (((INSTANCE) == TIM1) || \
                                                        ((INSTANCE) == TIM2) || \
                                                        ((INSTANCE) == TIM3) || \
                                                        ((INSTANCE) == TIM4) || \
                                                        ((INSTANCE) == TIM5) || \
                                                        ((INSTANCE) == TIM8))

/****************** TIM Instances : supporting clock division *****************/
#define IS_TIM_CLOCK_DIVISION_INSTANCE(INSTANCE) (((INSTANCE) == TIM1)  || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM2) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM3) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM4) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM5) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM8) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM9) || \
                                                  ((INSTANCE) == TIM10)|| \
                                                  ((INSTANCE) == TIM11)|| \
                                                  ((INSTANCE) == TIM12)|| \
                                                  ((INSTANCE) == TIM13)|| \
                                                  ((INSTANCE) == TIM14))
/****************** TIM Instances : supporting repetition counter *************/
#define IS_TIM_REPETITION_COUNTER_INSTANCE(INSTANCE)  (((INSTANCE) == TIM1) || \
                                                       ((INSTANCE) == TIM8))

这里解释一下，计数模式分为递增计数、递减计数、递增递减计数。由于基本定时器只支持递增计数，所以这里不支持修改计数模式。
那么上面说的“时钟分频”是什么意思？
在这里插入图片描述
至于上面写的CR1寄存器的ARPE位，请看上面参数配置中的auto-reload preload一节：

基本定时器触发DCA或者ADC的代码讲解

这里回头讲一下定时器触发DAC或者ADC的函数。虽然基本定时器不支持主从模式，所以下图的sMasterConfig.MasterSlaveMode始终是TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE。但仍然调用这个函数来设置触发事件。
在这里插入图片描述

基本定时器不支持主从模式，下面代码也有逻辑判断。

补充下上面截图中遇到的宏函数，里面没有TIM6和TIM7。

#define IS_TIM_SLAVE_INSTANCE(INSTANCE) (((INSTANCE) == TIM1) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM2) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM3) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM4) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM5) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM8) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM9) || \
                                         ((INSTANCE) == TIM12))

中断代码

如果使能了定时器更新中断，那么就要看一下中断处理函数怎么写。

void TIM6_DAC_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN TIM6_DAC_IRQn 0 */

  /* USER CODE END TIM6_DAC_IRQn 0 */
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim6);
  /* USER CODE BEGIN TIM6_DAC_IRQn 1 */

  /* USER CODE END TIM6_DAC_IRQn 1 */
}

所有的定时器使用的中断处理函数都是同一个：HAL_TIM_IRQHandler，至于哪个定时器的中断，由入参决定的。在此函数中，判断中断的各种原因，这里仅以更新中断举例，因为基本定时器就这一种中断方式。

/* TIM Update event */
  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(htim, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
  {
    if (__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(htim, TIM_IT_UPDATE) != RESET)
    {
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_UPDATE);
#if (USE_HAL_TIM_REGISTER_CALLBACKS == 1)
      htim->PeriodElapsedCallback(htim);
#else
      HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim);
#endif /* USE_HAL_TIM_REGISTER_CALLBACKS */
    }
  }

代码中实际执行的是HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim);
也就是说，这个函数是我们用户重新写的。比如下面我的代码：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(&htim6 == htim)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
  }
}

在这个函数中判断哪个定时器的更新中断，之后可以写相关的逻辑。

定时启动和停止

/* Blocking mode: Polling */
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start(TIM_HandleTypeDef *htim);
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop(TIM_HandleTypeDef *htim);
/* Non-Blocking mode: Interrupt */
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);

拿定时器的使能启动来讲，如上所示，可以分为两种，一种是轮询，一种是中断。对于轮询HAL_TIM_Base_Start，启动定时器之后，定时器就开始运行了，溢出了之后重新计数，不会引起中断。对于中断HAL_TIM_Base_Start_IT，就是说定时器计数溢出后会触发中断，并且执行中断处理函数。此时我们用户需要重写回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()。上面已经讲过了，就不再赘述。
如果使能了轮询启动定时器，就可以将计数值发送出来，我们可以验证，代码如下：

HAL_TIM_Base_Start(&htim6);

while(1)
{
	  times = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim6);
	  printf("当前计数值是：%d\r\n", times);
	  HAL_Delay(50);
}

__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim6)：获取定时器3的计数器值，这个值会不停改变，我们可以通过这个宏函数获取到当前最新的。

#define __HAL_TIM_GET_COUNTER(__HANDLE__)  ((__HANDLE__)->Instance->CNT)

实验现象

串口打印结果：
在这里插入图片描述
如果我们在代码中调用HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6)，且中断处理函数如上所写，则除了串口调试助手上有打印的信息外，硬件开发板上LED灯亮灭间隔0.5秒闪烁。

深入原理剖析

基本定时器原理

基本定时器TIM6和TIM7都是16位重装载递增定时器（只能递增计数），可以用于触发DAC或者ADC，也可以在更新事件的时候，会生成中断/DMA传输请求。
在这里插入图片描述
就拿上图来说，时钟信号输入到预分频器，经过分频之后，传输到计数器，计数器使用这个时钟进行计数。由于只能是递增的计数方法，所以就从0开始增加计数值，当计数值达到自动重装载计数值的时候，产生更新事件，触发DAC或者ADC的启动，或者触发DMA的传输。同时，计数器的值重新回到0开始递增计数。如此往复循环。

时基单元

计数器寄存器（TIMx_CNT）
预分频器寄存器（TIMx_PSC）
自动重装载寄存器（TIMx_ARR）

预分频器寄存器和自动重装载寄存器都有各自的影子寄存器，实际起作用的就是影子寄存器。但二者有区别：自动重装载寄存器的值要不要立即写进影子寄存器，是可以通过自动重载预装载使能位（ARPE）设定的；但预分频器寄存器的值只能等到产生更新事件（UEV）之后，才能写进影子寄存器。
预分频器会讲输入的时钟信号进行分频，分配系数在1-65536之间，而我们的设置值是0~65535，这里有一个“加1”的操作。为啥最大是65535？因为它是16位的寄存器，再大的数写不进去。下面是预分频器改变之后，定时器的计数变化。
在这里插入图片描述
信号含义

CK_PSC：定时器计数时钟源。
CNT_EN：计数器使能信号，置 1 时允许计数器递增。
定时器时钟：即CK_CNT，是定时器的计数基准时钟（经预分频后），决定计数节奏。
计数器寄存器：实时显示计数器当前计数值（递增到溢出）。
更新事件（UEV）：计数器溢出时触发的内部事件，用于同步寄存器、置标志位。
预分频器控制寄存器：软件直接写入的 PSC 值（初始是 0，对应的分频比 1，后来写 1，对应的分频比 2 ）。
预分频器缓冲区：影子寄存器（暂存新 PSC 值，等 UEV 触发才生效）。
预分频器计数器：预分频器内部的分频计数器（数 CK_PSC 的脉冲，决定何时输出 CK_CNT ）。

在计数器寄存器数到F8的时候，用户对预分频寄存器写了新值（就是1，原本是0），但并没有立即导致计数时钟发生改变。直到溢出了，或者说产生更新事件了，计数值达到FC，然后计数器需要从0开始重新计数，这个时候，写进去的预分频值才起作用，计数的频率变慢了。可以看到预分频器缓冲区在存储着修改前的值，等到更新事件发生之后，才变成修改之后的1。

计数模式

计数器在不停地计数，从0开始，一直递增到自动重装载值，也即是TIM_ARR寄存器的值。之后继续从0开始计数。每次溢出就产生更新事件。如果用户手动将TIMx_EGR寄存器的UG位置位，也会产生更新事件，和计数溢出一个效果。
在这里插入图片描述
上图中，预分频器设置的值位1，也即是2分频。自动重装载值是35，经过加1之后就是36，也就是计数器寄存器的值达到36会产生更新事件。此时中断标志位置位，UIF=1。

自动重载预装载使能位（ARPE）的不同配置

下面两幅图对于ARPE位等于０和等于１的区别。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
这两幅图对比展示了 STM32 定时器中 自动重载预装载使能位（ARPE） 不同配置（ARPE=1 和 ARPE=0 ）时，更新事件触发后自动重载寄存器（TIMx_ARR）新值生效时机 的差异。

ARPE=1 时

逻辑：ARPE=1 开启“自动重载预装载”功能，新值写入 TIMx_ARR 后，先存到 自动重载预装载寄存器 ，需等待“更新事件（UEV）”触发 ，才会同步到 自动重载影子寄存器 生效。
时序细节：
1. 计数器从 F0 递增到 F5 后溢出（到 00 ），触发 UEV 和 UIF 。
2. 溢出前，自动重载预装载寄存器 已写入新值 36 （但未生效）；溢出触发 UEV 后，自动重载影子寄存器 才从预装载寄存器同步 36 ，下次计数用新值。

ARPE=0 时

逻辑：ARPE=0 关闭“自动重载预装载”功能，新值写入 TIMx_ARR 后直接同步到影子寄存器 ，无需等待更新事件。
时序细节：
1. 计数器从 31 递增到 36 后溢出（到 00 ），触发 UEV 和 UIF 。
2. 溢出前，软件写入新值 36 到 TIMx_ARR ，因 ARPE=0 ，新值直接写入影子寄存器 （无需等更新事件），下次计数用新值。

软件使能UG产生更新事件

在这里插入图片描述
信号含义
- CK_INT：定时器内部基准时钟（1分频后），是计数的“心跳” 。
- CEN=CNT_EN：计数器使能信号，置1时允许计数运行。
- UG：更新事件触发信号（如软件触发、溢出触发），用于触发计数器重置/更新。
- CNT_INIT：计数器初始化信号，配合UG将计数器值复位到初始状态（图中体现为寄存器值重置）。
- 计数器时钟（CK_CNT=CK_PSC）：经过预分频后的实际计数时钟，决定计数节奏。

也就是说，图中的36不是自动重装载计数器的值，计数到36没有溢出，只是由于UG被置位导致计数器初始化，生成了更新事件。但UG置位之后不是马上生成更新事件，而是等１个时钟周期。

寄存器剖析

上面其实已经有介绍寄存器的一些内容，这里对于比较重要的位简要介绍一下。
在这里插入图片描述

或者说，定时器的哪个信号作为触发输出。是复位的时候触发？还是计数器使能信号（CNT_EN）触发？还是更新事件触发？

以上三个寄存器都是16位，预分频器寄存器和自动重装载寄存器存储着我们的配置值，在STM32CubeIDE配置界面上有体现。而计数器寄存器是实时改变的，我们可以读取，也可以写入。