19. SysTick—系统定时器¶
本章参考资料《Cortex-M3内核编程手册》-4.5 章节SysTick Timer(STK)，和4.48章节SHPRx， 其中STK这个章节有SysTick的简介和寄存器的详细描述。因为SysTick是属于CM3内核的外设， 有关寄存器的定义和部分库函数都在core_CM3.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。
19.1. SysTick简介¶
SysTick—系统定时器是属于CM3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72M。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CM3内核的外设，所以所有基于CM3内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在CM3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。
19.2. 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。
系统定时器的校准数值寄存器在定时实验中不需要用到。有关各个位的描述这里引用手册里面的英文版本，比较晦涩难懂， 暂时不知道这个寄存器用来干什么。有研究过的朋友可以交流，起个抛砖引玉的作用。
19.3. SysTick定时实验¶
利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。
19.3.1. 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。
19.3.2. 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驱动程序及相关宏定义， 中断服务函数放在stm32f10x_it.c文件中。
19.3.2.2. 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_cm3.h中。
SysTick配置库函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | __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
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=72M
// 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用来设置重装载寄存器的值， 最大不能超过重装载寄存器的值224，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等于AHBCLK=72M，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。
配置SysTick中断优先级
在SysTick_Config()库函数还调用了固件库函数NVIC_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该库函数也在core_m3.h中定义，原型如下：
__STATIC_INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)
{
if ((int32_t)IRQn < 0) {
SCB->SHP[(((uint32_t)(int32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] =
(uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
} else {
NVIC->IP[((uint32_t)(int32_t)IRQn)] =
(uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
}
}
函数首先先判断形参IRQn的大小，如果是小于0，则表示这个是系统异常，系统异常的优先级由内核外设SCB的寄存器SHPRx控制， 如果大于0则是外部中断，外部中断的优先级由内核外设NVIC中的IPx寄存器控制。
因为SysTick属于内核外设，跟普通外设的中断优先级有些区别，并没有抢占优先级和子优先级的说法。在STM32F103中， 内核外设的中断优先级由内核SCB这个外设的寄存器：SHPRx（x=1.2.3）来配置。有关SHPRx寄存器的详细描述可参考《Cortex-M3内核编程手册》4.4.8章节。 下面我们简单介绍下这个寄存器。
SPRH1-SPRH3是一个32位的寄存器，但是只能通过字节访问，每8个字段控制着一个内核外设的中断优先级的配置。在STM32F103中， 只有位7:4这高四位有效，低四位没有用到，所以内核外设的中断优先级可编程为：0~15，只有16个可编程优先级，数值越小，优先级越高。 如果软件优先级配置相同，那就根据他们在中断向量表里面的位置编号来决定优先级大小，编号越小，优先级越高。
如果要修改内核外设的优先级，只需要修改下面三个寄存器对应的某个字段即可。
在系统定时器中，配置优先级为(1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL)， 其中宏__NVIC_PRIO_BITS为4，那计算结果就等于15， 可以看出系统定时器此时设置的优先级在内核外设中是最低的，如果要修改优先级则修改这个值即可，范围为：0~15。
// 设置系统定时器中断优先级
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);
但是，问题来了，刚刚我们只是学习了内核的外设的优先级配置。如果我同时使用了systick和片上外设呢？而且片上外设也刚好需要使用中断， 那systick的中断优先级跟外设的中断优先级怎么设置？会不会因为systick是内核里面的外设，所以它的中断优先级就一定比内核之外的外设的优先级高？
从《STM32中断应用概览》这章我们知道，外设在设置中断优先级的时候，首先要分组，然后设置抢占优先级和子优先级。 而systick这类内核的外设在配置的时候，只需要配置一个寄存器即可，取值范围为0~15。既然配置方法不同，那如何区分两者的优先级？下面举例说明。
比如配置一个外设的中断优先级分组为2，抢占优先级为1，子优先级也为1，systick的优先级为固件库默认配置的15。 当我们比较内核外设和片上外设的中断优先级的时候，我们只需要抓住NVIC的中断优先级分组不仅对片上外设有效，同样对内核的外设也有效。 我们把systick的优先级15转换成二进制值就是1111(0b)，又因为NVIC的优先级分组2，那么前两位的11(0b)就是3，后两位的11(0b)也是3。 无论从抢占还是子优先级都比我们设定的外设的优先级低。如果当两个的软件优先级都配置成一样，那么就比较他们在中断向量表中的硬件编号，编号越小，优先级越高。
SysTick初始化函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | /**
* @brief 启动系统滴答定时器 SysTick
* @param 无
* @retval 无
*/
void SysTick_Init(void)
{
/* SystemFrequency / 1000 1ms中断一次
* SystemFrequency / 100000 10us中断一次
* SystemFrequency / 1000000 1us中断一次
*/
if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000)) {
/* Capture error */
while (1);
}
}
|
SysTick初始化函数由用户编写，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。
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/CLKAHB， 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TINT=VALUELOAD * TDEC= VALUELOAD/CLKAHB， 其中CLKAHB =72MHZ。如果设置VALUELOAD为72， 那中断一次的时间TINT=72/72M=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。
SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000)
SysTick_Config（）的形我们配置为SystemCoreClock / 100000=72M/100000=720， 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=720/72M=10us。
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。
SysTick定时函数
现在我们定义一个微秒级别的延时函数，形参为nTime，当用这个形参乘以中断时间TINT就得出我们需要的延时时间， 其中TINT我们已经设置好为10us。关于这个函数的具体调用看注释即可。
/**
* @brief us延时程序,10us为一个单位
* @param
* @arg nTime: Delay_us( 1 ) 则实现的延时为 1 * 10us = 10us
* @retval 无
*/
void Delay_us(__IO u32 nTime)
{
TimingDelay = nTime;
while (TimingDelay != 0);
}
函数Delay_us()中我们等待TimingDelay为0，当TimingDelay为0的时候表示延时时间到。变量TimingDelay在中断函数中递减， 即SysTick每进一次中断即10us的时间TimingDelay递减一次。
SysTick中断服务函数
void SysTick_Handler(void)
{
TimingDelay_Decrement();
}
中断复位函数调用了另外一个函数TimingDelay_Decrement()，原型如下：
/**
* @brief 获取节拍程序
* @param 无
* @retval 无
* @attention 在 SysTick 中断函数 SysTick_Handler()调用
*/
void TimingDelay_Decrement(void)
{
if (TimingDelay != 0x00) {
TimingDelay--;
}
}
TimingDelay的值等于延时函数中传进去的nTime的值，比如nTime=100000，则延时的时间等于100000*10us=1s。
主函数
int main(void)
{
/* LED 端口初始化 */
LED_GPIO_Config();
/* 配置SysTick 为10us中断一次,时间到后触发定时中断，
*进入stm32fxx_it.c文件的SysTick_Handler处理，通过数中断次数计时
*/
SysTick_Init();
while (1) {
LED_ON;
Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
LED2_ON;
Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
LED3_ON;
Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms
}
}
主函数中初始化了LED和SysTick，然后在一个while循环中以1s的频率让LED闪烁。
另外一种更简洁的定时编程
上面的实验，我们是使用了中断，而且经过多个函数的调用，还使用了全局变量，理解起来挺费劲的，其实还有另外一种更简洁的写法。 我们知道，systick的counter从reload值往下递减到0的时候，CTRL寄存器的位16:countflag会置1，且读取该位的值可清0， 所有我们可以使用软件查询的方法来实现延时。具体代码见 代码清单:SysTick-3 和 代码清单:SysTick-4 ，我敢肯定这样的写法， 初学者肯定会更喜欢，因为它直接，套路浅。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | void SysTick_Delay_Us( __IO uint32_t us)
{
uint32_t i;
SysTick_Config(SystemCoreClock/1000000);
for (i=0; i<us; i++) {
// 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1
while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );
}
// 关闭SysTick定时器
SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | void SysTick_Delay_Ms( __IO uint32_t ms)
{
uint32_t i;
SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
for (i=0; i<ms; i++) {
// 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1
// 当置1时，读取该位会清0
while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );
}
// 关闭SysTick定时器
SysTick->CTRL &=~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}
|
在这两个微秒和毫秒级别的延时函数中，我们还是调用了SysTick_Config这个固件库函数，有关这个函数的说明具体见 代码清单:SysTick-5。 配套代码注释理解即可。其中SystemCoreClock是一个宏，大小为72000000，如果不想使用这个宏，也可以直接改成数字。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | // 这个 固件库函数 在 core_cm3.h中
static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
// reload 寄存器为24bit，最大值为2^24
if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) return (1);
// 配置 reload 寄存器的初始值
SysTick->LOAD = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;
// 配置中断优先级为 1<<4 -1 = 15，优先级为最低
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
// 配置 counter 计数器的值
SysTick->VAL = 0;
// 配置systick 的时钟为 72M
// 使能中断
// 使能systick
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
return (0);
}
|