19. SysTick—系统定时器

本章参考资料《 ARM Cortex™-M4F 技术参考手册》-4.5 章节SysTickTimer(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CM4内核的外设， 有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm4.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CM4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180M。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CM4内核的外设，所以所有基于CM4内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在CM4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寄存器汇总 SysTick控制及状态寄存器 SysTick重装载数值寄存器 SysTick当前数值寄存器 SysTick校准数值寄存器

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stm32f4xx_it.c文件中。

19.3.2.1. 编程要点

1、设置重装载寄存器的值

2、清除当前数值寄存器的值

3、配置控制与状态寄存器

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_cm4.h中。

SysTick配置库函数

代码清单:SysTick-1SysTick配置库函数
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__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=168M
    // 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为168M，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。 其中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_m4.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);
    }
}

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STM32F407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-M4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STM32F407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。

系统异常优先级字段

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。

SHPR1寄存器 SHPR2寄存器 SHPR3寄存器

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。

// 设置系统定时器中断优先级
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

SysTick初始化函数

代码清单:SysTick-2 SysTick初始化函数
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/**
* @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中断= VALUELOAD/CLKAHB， 其中CLKAHB =168MHZ。如果VALUELOAD设置为180，那中断一次的时间TINT=168/168M=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=180M/100000=1680，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=1680/168M=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_RED;
        Delay_us(100000);   // 10000 * 10us = 1000ms

        LED_GREEN;
        Delay_us(100000);   // 10000 * 10us = 1000ms

        LED_BLUE;
        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。

代码清单:SysTick-3 systick 微秒级延时
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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;
}
代码清单:SysTick-4 systick 毫秒级延时
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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168000000，如果不想使用这个宏，也可以直接改成数字。

代码清单:SysTick-5 systick 配置函数
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// 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);
}