17. SysTick—系统定时器¶
本章参考资料《Cortex®-M7内核编程手册》-4.4 章节SysTick Timer(STK), 和4.38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CM7内核的外设,有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm7.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简介¶
SysTick—系统定时器是属于CM7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216M。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CM7内核的外设,所以所有基于CM7内核的单片机都具有这个系统定时器,使得软件在CM7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。
17.3. 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驱动程序及相关宏定义,中断服务函数放在stm32f7xx_it.c文件中。
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_cM7.h中。
17.3.2.2.1. 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=216M
// 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216M,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_M7.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STM32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-M7内核编程手册》4.3.8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STM32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 18‑2 SHPR2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);
17.3.2.2.2. 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。
17.3.2.2.3. 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 =216MHz。如果设置为216,那中断一次的时间TINT=216/216MHz =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=216MHz /100000=2160,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=2160/216MHz =10us。
17.3.2.2.4. 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。
17.3.2.2.5. 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。
17.3.2.2.6. 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。
17.3.2.2.7. 主函数¶
int main(void)
{
/* 系统时钟初始化成216MHz */
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。