55. DWT—内核定时器

本章参考资料《Cortex-M3内核编程手册》。

55.1. DWT简介

在Cortex-M里面有一个外设叫DWT(Data Watchpoint and Trace),是用于系统调试及跟踪,它有一个32位的寄存器叫CYCCNT, 它是一个向上的计数器,记录的是内核时钟运行的个数,内核时钟跳动一次,该计数器就加1,精度非常高,决定内核的频率是多少, 例如STMF10系列,内核时钟是72M,那精度就是1/72M = 14ns,而程序的运行时间都是微秒级别的,所以14ns的精度是远远够的。 最长能记录的时间为:60s=2的32次方/72000000(假设内核频率为72M,内核跳一次的时间大概为1/72M=14ns), 而如果是H7这种400M主频的芯片,那它的计时精度高达2.5ns(1/400000000 = 2.5),而如果是 i.MX RT1052这种高速的处理器, 最长能记录的时间为: 8.13s=2的32次方/528000000 (假设内核频率为528M,内核跳一次的时间大概为1/528M=1.9ns) 。 当CYCCNT溢出之后,会清0重新开始向上计数。系统处理框图见图 系统处理框图

系统处理框图

要实现延时的功能,总共涉及到三个寄存器:DEMCR、DWT_CTRL、DWT_CYCCNT,分别用于开启DWT功能、开启CYCCNT及获得系统时钟计数值。

55.2. DWT相关寄存器

55.2.1. DEMCR

想要使能DWT外设,需要由另外的内核调试寄存器DEMCR的位24控制,写1使能。DEMCR的地址是:0xE000 EDFC 。关于该寄存器的详情见图 内核调试寄存器

内核调试寄存器

55.2.2. DWT_CYCCNT

使能DWT_CYCCNT寄存器之前,先清0。其基地址是0xE0001004,复位默认值是0,可读写类型。所以往0xE0001004这个地址写就将DWT_CYCCNT清0了。

55.2.3. CYCCNTENA

它是DWT控制寄存器的第一位,写1使能,则启用CYCCNT计数器,否则CYCCNT计数器将不会工作。见图 DWT控制寄存器

DWT控制寄存器

综上所述,想要使用DWY的CYCCNT需要以下3个步骤:

1.先使能DWT外设,这个由另外内核调试寄存器DEMCR的位24控制,写1使能。

2.使能CYCCNT寄存器之前,先清0。

3.使能CYCCNT寄存器,这个由DWT的CYCCNTENA 控制,也就是DWT控制寄存器的位0控制,写1使能。

55.3. 相关实现函数

初始化过程见 代码清单:DWT-1

代码清单:DWT-1初始化DWT(core_delay.c文件)
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/**
* @brief  初始化时间戳
* @param  无
* @retval 无
* @note   使用延时函数前,必须调用本函数
*/
void CPU_TS_TmrInit(void)
{
    /* 使能DWT外设 */
    DEM_CR |= (uint32_t)DEM_CR_TRCENA;

    /* DWT CYCCNT寄存器计数清0 */
    DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;

    /* 使能Cortex-M DWT CYCCNT寄存器 */
    DWT_CR |= (uint32_t)DWT_CR_CYCCNTENA;
}

延时函数实现见 代码清单:DWT-2

代码清单:DWT-2实现DWT延时(core_delay.c文件)
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/**
* @brief  采用CPU的内部计数实现精确延时,32位计数器
* @param  us : 延迟长度,单位1 us
* @retval 无
* @note   使用本函数前必须先调用CPU_TS_TmrInit函数使能计数器,
            或使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION
            最大延时值为8秒,即8*1000*1000
*/
void CPU_TS_Tmr_Delay_US(__IO uint32_t us)
{
    uint32_t ticks;
    uint32_t told,tnow,tcnt=0;

    /* 在函数内部初始化时间戳寄存器, */
#if (CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION)
    /* 初始化时间戳并清零 */
    CPU_TS_TmrInit();
#endif

    ticks = us * (GET_CPU_ClkFreq() / 1000000);  /* 需要的节拍数 */
    tcnt = 0;
    told = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();         /* 刚进入时的计数器值 */

    while (1) {
        tnow = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();
        if (tnow != told) {
            /* 32位计数器是递增计数器 */
            if (tnow > told) {
                tcnt += tnow - told;
            }
            /* 重新装载 */
            else {
                tcnt += UINT32_MAX - told + tnow;
            }

            told = tnow;

            /*时间超过/等于要延迟的时间,则退出 */
            if (tcnt >= ticks)break;
        }
    }
}

在调用该函数前需先调用CPU_TS_TmrInit();函数初始化计数器。或者在core_delay.h文件中使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION。

本函数包含一个输入参数us,即就是要延时的微秒数。

55.4. 实验:DWT控制流水灯

55.4.1. 硬件设计

DWT属于单片机内部的内核中的外设,不需要额外的硬件电路,剩下的只需一个LED灯即可。

55.4.2. 软件设计

主函数

代码清单:DWT-3 主函数
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* LED 端口初始化 */
    LED_GPIO_Config();

    /* 初始化内核定时器 */
    CPU_TS_TmrInit();

    while (1) {

        LED1( ON );
        Delay_us(100000);     // 100000 * 10us = 1000ms
        //Delay_ms(100);
        LED1( OFF );

        LED2( ON );
        Delay_us(100000);   // 100000 * 10us = 1000ms
        //Delay_ms(100);
        LED2( OFF );

    }
}

主函数中初始化了LED和DWT,然后在一个while循环中以0.1s的频率让LED闪烁。