18. 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。

18.1. 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。

18.2. 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。

表 18‑1 SysTick寄存器汇总

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

表 18‑2 SysTick控制及状态寄存器

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，0=外部 时钟，1=处理器时钟A HB

1

TICKINT

R/W

0

1=SysTick倒数 计数到 0时产生 SysTick异常请

求，0=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

表 18‑3 SysTick 重装载数值寄存器

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，将被重装载的值

表 18‑4 SysTick当前数值寄存器

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SysTi ck控制及状态寄存器中 的COUNTFLAG 标志

表 18‑5 SysTick校准数值寄存器

位段

名称

类型

复位值

描述

31

NOREF

R

0

指示是否有参考时钟提供 给处理器

0：提供参考时钟

1：不提供参考时钟

如果器件不提供参考时钟 ，SYST_CSR.C LKSOURCE标志位 为1，不可改写。

30

SKEW

R

1

S指示TENMS的值是 否精确

0：TENMS是精确值

1：TENMS不是精确 值或者不提供

不精确的TENMS值可 以影响作为软件实时时钟 节拍器的适用性。

23:0

TENMS

R

0

重新加载 10ms (100Hz) 计时的值, 受系统时钟偏差的错误。 如果值读取为零,

校准值未知。

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。

18.3. SysTick定时实验

利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。

18.3.1. 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。

18.3.2. 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stm32f1xx_it.h文件中。

18.3.2.1. 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

18.3.2.2. 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。

18.3.2.2.1. SysTick配置库函数

代码 18‑1SysTick配置库函数

 __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_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7:3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。

表 18‑6 系统异常优先级字段

异常

字段

寄存器描述

Memory management fault

PRI_4

SHPR1

Bus fault

PRI_5

Usage fault

PRI_6

SVCall

PRI_11

SHPR2

PendSV

PRI_14

SHPR3

SysTick

PRI_15

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。

图 18‑1 SHPR1寄存器

图 18‑1 SHPR1寄存器

图 18‑2 SHPR2寄存器

图 18‑2 SHPR2寄存器

图 18‑3 SHPR3寄存器

图 18‑3 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，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);
18.3.2.2.2. SysTick初始化函数

代码 18‑2 SysTick初始化函数

 /*

 * @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 (HAL_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。

18.3.2.2.3. 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/CLK:sub:AHB，其中CLKAHB =180MHz。如果设置为180，那中断一次的时间TINT=180/180MHz =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=180MHz /100000=1800，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T:sub:INT=1800/180MHz =10us。

18.3.2.2.4. 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。

18.3.2.2.5. 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。

18.3.2.2.6. 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。

18.3.2.2.7. 主函数
int main(void)

{

    /* 系统时钟初始化成180MHz */

    SystemClock_Config();

    /* 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stm32f4xx_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。