17. SysTick——系统定时器¶
本章配套视频介绍:
《24-SysTick–系统定时器(第1节)——SysTick介绍》
https://www.bilibili.com/video/BV1zN4y1479C/
《25-SysTick–系统定时器(第2节)——SysTick定时实验》
https://www.bilibili.com/video/BV1oC4y1q719/
本章参考资料《DEFINITIVE GUIDE TO ARM CORTEX-M23 AND CORTEX-M33 PROCESSORS》-11.2 章节SysTick Timer， 《Cortex-M3内核编程手册》-4.5 章节SysTick Timer(STK)，和4.48章节SHPRx， 这个章节有SysTick的简介和寄存器的详细描述。 因为SysTick是属于CORTEX-M33内核的外设，有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm33.h这个头文件中实现。 所以学习SysTick的时候可以参考这两个资料，一个是文档，一个是源码。
17.1. SysTick系统滴答定时器简介¶
SysTick—系统定时器是属于CM33内核中的一个外设，内嵌在NVIC中。 系统定时器是一个24bit的向下递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，一般我们设置系统时钟SYSCLK等于200MHz。 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。
因为SysTick是属于CM33内核的外设，所以所有基于CM33内核的单片机都具有这个系统定时器， 使得软件在CM33单片机中可以很容易的移植。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。
17.2. SysTick寄存器介绍¶
SysTick—系统定时器有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。
寄存器名称 |
寄存器描述 |
|---|---|
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 |
位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
|---|---|---|---|---|
16 |
COUNTFLAG |
R/W |
0 |
如果在上次读取本寄存器后， SysTick 已经计到了 0，则该位为 1。 |
2 |
CLKSOURCE |
R/W |
0 |
时钟源选择位为0时：时钟源为LOCO=32768Hz； 时钟源选择位为1时：时钟源为处理器时钟ICLK=200MHz |
1 |
TICKINT |
R/W |
0 |
1：SysTick递减计数到 0时产生 SysTick异常请求； 0：计数到 0 时无动作。 也可以通过读取COUNTFLAG标志位来确定计数器是否递减到0。 |
0 |
ENABLE |
R/W |
0 |
SysTick 定时器的使能位 |
位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
|---|---|---|---|---|
23:0 |
RELOAD |
R/W |
0 |
当倒数计数至零时，将被重加载的值 |
位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
|---|---|---|---|---|
23:0 |
CURRENT |
R/W |
0 |
读取时返回当前倒计数的值，写它则使之清零， 同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的 COUNTFLAG 标志 |
位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
|---|---|---|---|---|
31 |
NOREF |
R |
0 |
NOREF 标志. 读取时值为0。用于指示已经提 供了一个独立的参考时钟，本时钟频率为HCLK/8 |
30 |
SKEW |
R |
1 |
读取时值为1.因为TENMS是未知的，1ms的校准值 未知。这会影响SysTick作为一个软件实时时钟的稳定性 |
系统定时器的校准数值寄存器在定时实验中不需要用到。本章不会详细讲解该寄存器，感兴趣的读者可自行研究。
17.3. 使用SysTick定时实验¶
利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。
17.3.1. 硬件设计¶
SysTick属于单片机内部的外设，不需要额外的硬件电路，剩下的只需一个LED灯即可。
17.3.2. 软件设计¶
这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。 我们创建了两个文件：bsp_SysTick.c 和 bsp_SysTick.h 文件用来存放SysTick驱动程序，中断服务函数及相关宏定义。
17.3.2.2. 代码分析¶
SysTick 属于内核的外设，有关的寄存器定义和库函数都在内核相关的库文件core_cm33.h中。
17.3.2.2.1. SysTick配置库函数¶
__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
// 不可能的重加载值，超出范围
if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) {
return (1UL);
}
// 设置重加载寄存器
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ICLK=200M
// 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用来设置重加载寄存器的值， 最大不能超过重加载寄存器的值224，当重加载寄存器的值递减到0的时候产生中断， 然后重加载寄存器的值又重新被装载并再次递减计数，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等于ICLK=200M，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。
SysTick_Config()库函数主要配置了SysTick中的三个寄存器：LOAD、VAL和CTRL，有关具体的部分看代码注释即可。
17.3.2.2.2. 配置SysTick中断优先级¶
SysTick_Config()库函数主要配置了SysTick中的三个寄存器：LOAD、VAL和CTRL，有关具体的部分看代码注释即可。 其中还调用了函数库函数NVIC_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该库函数也在core_cm33.h中定义，原型如下：
__STATIC_INLINE void __NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)
{
if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
{
NVIC->IPR[((uint32_t)IRQn)] = (uint8_t)((priority << (8U - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
}
else
{
SCB->SHPR[(((uint32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] = (uint8_t)((priority << (8U - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
}
}
17.3.2.2.3. SysTick初始化函数¶
/**
* @brief 启动系统滴答计时器 SysTick
* @param IT_frequency: 滴答计时器每秒的中断次数
* @retval 无
*/
void SysTick_Init(uint32_t IT_frequency)
{
/* SystemCoreClock在这里默认为200M
* SystemCoreClock / 1000 1ms中断一次
* SystemCoreClock / 100000 10us中断一次
* SystemCoreClock / 1000000 1us中断一次
*/
IT_Period = SystemCoreClock / IT_frequency;
uint32_t err = SysTick_Config (IT_Period);
assert(err==0); //capture error
}
SysTick_Init函数里面调用了SysTick_Config()这个固件库函数，通过设置该固件库函数的形参， 就决定了系统定时器经过多少时间就产生一次中断。
17.3.2.2.4. SysTick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TDEC=1/CLKICLK， 当重装载寄存器中的值VALUELOAD减到0的时候，产生中断，可知中断一次的时间T INT=VALUELOAD * TDEC= VALUE LOAD/CLKICLK，其中CLKICLK =200MHZ。如果设置VALUELOAD为200，那中断一次的时间 TINT=200/200M=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。
IT_Period = SystemCoreClock / IT_frequency; //IT_frequency为中断的频率(单位为Hz)
SysTick_Config(IT_Period) //IT_Period为中断一次的时间(单位为时钟节拍数)
SysTick_Config（）的形参我们配置为IT_Period。例如，当IT_frequency为1000，IT_Period = SystemCoreClock / IT_frequency= 200M/1000=200K， 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TINT=200k/200M=1ms。
17.3.2.2.5. SysTick定时时间的计算¶
当设置好中断时间TINT后，我们可以设置一个变量t， 用来记录进入中断的次数，那么变量t乘以中断的时间TINT就可以计算出需要定时的时间。
17.3.2.2.6. SysTick定时函数¶
现在我们定义一个延时函数，类似官方的延时函数”R_BSP_SoftwareDelay”,形参为delay和unit，这两个形参相乘 就得出我们需要的延时时间TSUM，因此进入中断的次数t=TSUM/TINT。
/**
* @brief 延时程序
* @param delay: 延时的单位时间
* @param unit: 延时的单位
* @retval 无
*/
void SysTick_Delay(uint32_t delay, sys_delay_units_t unit)
{
uint32_t SumTime = delay * unit; //计算总延时时间(单位为时钟节拍数)
IT_nums = SumTime/IT_Period;
while (IT_nums != 0);
}
SysTick_Delay()中我们等待IT_nums为0，当IT_nums为0的时候表示延时时间到。变量IT_nums在中断函数中递减，即SysTick每进一次中断即TINT的时间IT_nums递减一次。
17.3.2.2.7. sys_delay_units_t¶
typedef enum
{
SYS_DELAY_UNITS_SECONDS = 200000000, ///< Requested delay amount is in seconds
SYS_DELAY_UNITS_MILLISECONDS = 200000, ///< Requested delay amount is in milliseconds
SYS_DELAY_UNITS_MICROSECONDS = 200 ///< Requested delay amount is in microseconds
} sys_delay_units_t;
17.3.2.2.8. SysTick中断服务函数¶
/**
* @brief SysTick的中断服务函数
* @param 无
* @retval 无
*/
extern void SysTick_Handler(void); //需要先extern声明一下避免编译器警告
void SysTick_Handler(void)
{
if (IT_nums != 0x00)
{
IT_nums--;
}
}
17.3.2.2.9. hal_entry入口函数¶
void hal_entry(void)
{
/* TODO: add your own code here */
R_BSP_PinAccessEnable (); //启用对PFS寄存器的访问,因为后面写IO口都用BSP内联函数
SysTick_Init(1000); //初始化系统时钟,设置中断频率为1000Hz
while (1)
{
R_BSP_PinWrite (LED_G, BSP_IO_LEVEL_LOW); //点亮绿色LED
SysTick_Delay(1, SYS_DELAY_UNITS_SECONDS); //延时1s
R_BSP_PinWrite (LED_G, BSP_IO_LEVEL_HIGH); //熄灭绿色LED
SysTick_Delay(1, SYS_DELAY_UNITS_SECONDS); //延时1s
}
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
/* Enter non-secure code */
R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}
主函数中初始化了SysTick，然后在一个while循环中以1s的频率让LED闪烁。