定时器笔记
定时器笔记
适用平台：STM32F1xx 系列（其他系列可参考，寄存器略有差异）
参考资料：STM32 参考手册（RM0008）、HAL/标准外设库文档
目录
- 3.8.1 STM32 的 5 种定时器简介
- 3.8.2–3.8.5 SYSTICK 定时器 详解
- 3.8.6 STM32 的定时器学习要点
- 3.8.7–3.8.10 定时器的数据手册
- 3.8.11–3.8.12 定时器例程分析和编程实践
- 3.8.13 问题解决及 PWM 输出功能引入
- 3.8.14–3.8.15 TIM2 的 PWM 输出功能详解
- 3.8.16–3.8.17 TIM2 的专用 PWM 输出编程实践
- 3.8.18–3.8.20 DS18B20 程序在 STM32 上的移植
3.8.1 STM32 的 5 种定时器简介
STM32 集成了多种定时器，按功能和复杂程度可分为以下 5 类：
| 类型 | 代表外设 | 位数 | 主要特性 |
|---|---|---|---|
| 高级控制定时器 | TIM1、TIM8 | 16 位 | 互补 PWM 输出、死区控制、刹车功能，适用于电机控制 |
| 通用定时器 | TIM2–TIM5 | 16 位 | 输入捕获、输出比较、PWM、编码器接口 |
| 基本定时器 | TIM6、TIM7 | 16 位 | 仅计时/计数，常用于触发 DAC |
| SysTick 定时器 | SysTick | 24 位 | Cortex-M 内核定时器，常用于 RTOS 心跳和精确延时 |
| 看门狗定时器 | IWDG、WWDG | — | 独立看门狗 / 窗口看门狗，防止程序跑飞 |
关键区别速记
- 高级定时器 = 通用定时器 + 互补输出 + 刹车
- 基本定时器 = 高级/通用定时器的纯计时子集
- SysTick 属于 Cortex-M 内核，不占用 APB 总线资源
3.8.2–3.8.5 SYSTICK 定时器详解
3.8.2 SysTick 概述与寄存器
SysTick 是 Cortex-M3/M4 内核内置的 24 位递减计数器，与芯片厂商无关，所有 Cortex-M 系列通用。
核心寄存器（地址基于 0xE000E000）：
| 寄存器 | 偏移 | 说明 |
|---|---|---|
CTRL | 0x10 | 控制和状态寄存器 |
LOAD | 0x14 | 重装载值寄存器（24 位） |
VAL | 0x18 | 当前计数值寄存器 |
CALIB | 0x1C | 校准值寄存器（只读） |
CTRL 寄存器关键位：
Bit 16 - COUNTFLAG : 计数到 0 时置 1，读后自动清零
Bit 2 - CLKSOURCE : 0 = AHB/8 时钟，1 = AHB 时钟（处理器时钟）
Bit 1 - TICKINT : 1 = 使能 SysTick 异常请求
Bit 0 - ENABLE : 1 = 使能计数器
3.8.3 SysTick 工作原理
工作流程：
LOAD 寄存器写入重装载值
↓
计数器从 LOAD 值开始递减
↓
计数到 0 → 触发 SysTick 中断（若 TICKINT=1）
↓
自动从 LOAD 重装，循环计数
计算定时周期：
- 公式：T_tick = (LOAD + 1) / f_clk
- 例：系统时钟 72 MHz，LOAD = 71999，则：
- T = 72000 / (72 × 10^6) = 1 ms
3.8.4 SysTick 延时函数实现
轮询方式（不使用中断）：
/**
* @brief 微秒级延时（基于 SysTick 轮询）
* @param us: 延时微秒数
* @note 系统时钟 72MHz，使用 AHB/8 = 9MHz 时钟源
*/
void delay_us(uint32_t us)
{
SysTick->LOAD = 9 * us - 1; // 9 ticks = 1us（9MHz 时钟）
SysTick->VAL = 0; // 清零当前值
SysTick->CTRL = 0x01; // 使能，使用 AHB/8，关中断
while (!(SysTick->CTRL & (1<<16))); // 等待 COUNTFLAG
SysTick->CTRL = 0; // 关闭定时器
}
void delay_ms(uint32_t ms)
{
while (ms--)
delay_us(1000);
}
中断方式（常用于 RTOS 或系统心跳）：
volatile uint32_t g_tick_ms = 0;
/* 在 SysTick_Handler 中调用 */
void SysTick_Handler(void)
{
g_tick_ms++;
// HAL_IncTick(); // 若使用 HAL 库
}
/* 初始化：1ms 中断 */
void SysTick_Init(void)
{
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); // CMSIS 标准函数
}
3.8.5 SysTick 注意事项与常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 延时不准 | 时钟源选错 | 确认 CLKSOURCE 位与计算公式匹配 |
| 中断未触发 | TICKINT 未置位 | 检查 SysTick_Config() 返回值 |
| 长时间延时溢出 | 24 位计数器最大 16M ticks | 拆分为多次小延时，或改用通用定时器 |
| RTOS 冲突 | FreeRTOS 也使用 SysTick | FreeRTOS 会接管 SysTick，不可重复初始化 |
⚠️ 注意：
SysTick->LOAD最大值为0xFFFFFF（16,777,215），使用 72MHz 时钟时最大延时约 233ms，超出需分段。
3.8.6 STM32 的定时器学习要点
学习 STM32 定时器的核心路径：
时钟树理解
↓
定时器时基配置（预分频 PSC + 自动重装 ARR）
↓
工作模式选择（向上/向下/中央对齐计数）
↓
功能扩展（输入捕获 / 输出比较 / PWM / 编码器）
↓
中断配置与 NVIC
↓
DMA 联动（高级用法）
最关键的两个参数：
- 公式：f_timer = (f_APB × 2) / (PSC + 1)（APB 倍频后）
- 公式：T_overflow = (ARR + 1) / f_timer
常见时钟配置（72MHz 系统时钟）：
| APB1 总线 | 定时器时钟 | 典型外设 |
|---|---|---|
| 36 MHz | 72 MHz（×2） | TIM2–7 |
| APB2 总线 | 72 MHz（×1） | TIM1、TIM8 |
3.8.7–3.8.10 定时器的数据手册
3.8.7 时基单元寄存器
通用/高级定时器共用的时基寄存器：
| 寄存器 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
TIMx_CR1 | 控制寄存器 1 | 使能、计数方向、对齐模式 |
TIMx_CR2 | 控制寄存器 2 | 主从模式触发源 |
TIMx_SMCR | 从模式控制 | 外部触发、级联 |
TIMx_DIER | DMA/中断使能 | 各中断/DMA 请求使能位 |
TIMx_SR | 状态寄存器 | 中断标志位 |
TIMx_EGR | 事件生成寄存器 | 软件触发更新事件 |
TIMx_PSC | 预分频寄存器 | 分频系数（实际分频 = PSC+1） |
TIMx_ARR | 自动重装寄存器 | 计数上限（产生溢出） |
TIMx_CNT | 计数器 | 当前计数值（可读写） |
3.8.8 捕获/比较寄存器
| 寄存器 | 说明 |
|---|---|
TIMx_CCMRx | 捕获/比较模式寄存器（配置通道工作模式） |
TIMx_CCER | 捕获/比较使能寄存器（极性、使能） |
TIMx_CCRx | 捕获/比较值寄存器（PWM 占空比设置） |
TIMx_CCMR1 输出比较模式（OCxM 位）：
000 - 冻结（不改变输出）
001 - 匹配时置有效电平
010 - 匹配时置无效电平
011 - 翻转
100 - 强制无效
101 - 强制有效
110 - PWM 模式 1（CNT<CCR 时有效）
111 - PWM 模式 2（CNT<CCR 时无效）
3.8.9 中断与 DMA 相关寄存器
TIMx_DIER 关键位：
TIM_DIER_UIE // 更新中断使能（溢出中断）
TIM_DIER_CC1IE // 捕获/比较通道 1 中断使能
TIM_DIER_UDE // 更新 DMA 请求使能
中断服务函数框架（标准库）：
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
{
// 用户定时任务代码
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 必须清标志！
}
}
3.8.10 高级定时器专有寄存器（TIM1/TIM8）
| 寄存器 | 说明 |
|---|---|
TIMx_BDTR | 刹车和死区寄存器（死区时间、刹车极性） |
TIMx_RCR | 重复计数器（N 次溢出才触发更新事件） |
死区时间配置（BDTR.DTG 字段）：
- 公式：DT = DTG[7:0] × t_DT
- 其中 t_DT 根据 DTG[7:6] 的值由不同基准时钟决定，详见 RM0008 第 14 章。
3.8.11–3.8.12 定时器例程分析和编程实践
3.8.11 通用定时器定时中断实现（TIM2）
初始化步骤：
void TIM2_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
/* 1. 开启时钟 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
/* 2. 配置时基 */
TIM_InitStruct.TIM_Period = arr; // 自动重装值
TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = psc; // 预分频值
TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
/* 3. 使能更新中断 */
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
/* 4. 配置 NVIC */
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
/* 5. 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
调用示例（1ms 定时，72MHz 时钟）：
// TIM2 时钟 = 72MHz
// 定时 = (arr+1)*(psc+1) / 72MHz = 1000*72/72MHz = 1ms
TIM2_Init(999, 71);
3.8.12 输入捕获实践（频率/脉宽测量）
void TIM2_IC_Init(void)
{
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICStruct;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* PA0 复用为 TIM2_CH1 */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/* 输入捕获配置 */
TIM_ICStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 上升沿捕获
TIM_ICStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICStruct.TIM_ICFilter = 0x00;
TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICStruct);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
/* 在中断中读取捕获值计算频率 */
uint32_t capture1 = 0, capture2 = 0;
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET)
{
static uint8_t edge = 0;
if (edge == 0) {
capture1 = TIM_GetCapture1(TIM2);
edge = 1;
} else {
capture2 = TIM_GetCapture1(TIM2);
uint32_t period = capture2 - capture1; // 单位：timer ticks
// 频率 = f_timer / period
edge = 0;
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
}
}
3.8.13 问题解决及 PWM 输出功能引入
常见问题与解决
| 现象 | 可能原因 | 排查方法 |
|---|---|---|
| 中断不触发 | 忘记清标志位 / NVIC 未使能 | 检查 ClearITPendingBit 调用位置 |
| 定时时间不准 | PSC/ARR 计算错误 | 重新核算公式，用示波器验证 |
| 定时器启动后立即触发一次中断 | 初始化时产生了更新事件 | 初始化后调用 TIM_ClearFlag(TIMx, TIM_FLAG_Update) |
| 重复计数器 RCR 不生效 | 仅 TIM1/TIM8 有此功能 | 通用定时器无 RCR |
PWM 功能引入
PWM（脉冲宽度调制）本质是 输出比较功能的特殊模式，通过控制 CCR 与 ARR 的比值来改变占空比：
- 占空比 = (CCR / (ARR + 1)) × 100%
- f_PWM = f_timer / ((PSC+1)(ARR+1))
3.8.14–3.8.15 TIM2 的 PWM 输出功能详解
3.8.14 PWM 模式原理
PWM 模式 1（向上计数）：
计数值 CNT: 0 ──────────────── ARR → 0（重装）
↑ ↑
输出: 有效 无效
|←── CCR ──→|← ARR-CCR →|
CNT < CCR：输出有效电平（高或低，取决于 CCER 中的 极性设置）CNT ≥ CCR：输出无效电平
关键寄存器配置路径：
TIMx_CR1 → 计数方向、自动重装预装载
TIMx_PSC → 预分频
TIMx_ARR → PWM 周期控制
TIMx_CCMR → OCxM=110（PWM模式1）+ OCxPE=1（预装载）
TIMx_CCER → CCxE=1（通道使能）
TIMx_CCRx → 占空比控制
3.8.15 PWM 输出引脚映射
以 TIM2 为例（STM32F103）：
| 通道 | 默认引脚 | 重映射引脚 |
|---|---|---|
| CH1 | PA0 | PA15（完全重映射） |
| CH2 | PA1 | PB3（完全重映射） |
| CH3 | PA2 | PB10（完全重映射） |
| CH4 | PA3 | PB11（完全重映射） |
⚠️ 使用重映射时需开启 AFIO 时钟并调用
GPIO_PinRemapConfig()
3.8.16–3.8.17 TIM2 的专用 PWM 输出编程实践
3.8.16 PWM 初始化代码
/**
* @brief TIM2 CH1 PWM 输出初始化
* @param arr: 自动重装值（决定 PWM 频率）
* @param psc: 预分频值
* @note PWM 引脚：PA0
*/
void TIM2_PWM_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
/* 1. 开启时钟 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
/* 2. GPIO 配置为复用推挽输出 */
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/* 3. 时基配置 */
TIM_InitStruct.TIM_Period = arr;
TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = psc;
TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
/* 4. 输出比较配置（PWM 模式 1）*/
TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比 0
TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 高电平有效
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCStruct);
/* 5. 使能预装载 + 启动 */
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
3.8.17 PWM 占空比动态调 节（LED 呼吸灯示例）
int main(void)
{
uint16_t duty = 0;
int8_t dir = 1;
// PWM 频率 = 72MHz / (72 * 1000) = 1kHz
TIM2_PWM_Init(999, 71);
while (1)
{
/* 动态修改 CCR1 寄存器调节占空比 */
TIM_SetCompare1(TIM2, duty);
duty += dir * 10;
if (duty >= 999) dir = -1;
if (duty == 0) dir = 1;
delay_ms(10);
}
}
占空比计算：
duty = 0 → 占空比 0%（LED 熄灭）
duty = 500 → 占空比 50%（半亮）
duty = 999 → 占空比 ~100%（最亮）
3.8.18–3.8.20 DS18B20 程序在 STM32 上的移植
3.8.18 DS18B20 移植前分析
DS18B20 是单总线（1-Wire）数字温度传感器，通讯依赖严格的 微秒级时序。
从 51 单片机到 STM32 的主要差异：
| 项目 | 51 单片机 | STM32 |
|---|---|---|
| 延时函数 | _nop_() / 软件循环 | SysTick / TIM 定时 |
| GPIO 操作 | P1 = 0x01 直接赋值 | GPIO_SetBits() / 寄存器操作 |
| IO 方向切换 | 51 准双向口自动处理 | 需手动切换 GPIO_Mode_Out_PP ↔ GPIO_Mode_IN_FLOATING |
| 头文件 | reg51.h | stm32f10x.h |
DS18B20 关键时序要求（必须精确）：
复位脉冲：总线拉低 480–960μs，释放后等待 15–60μs 检测存在脉冲
写 0：拉低 60–120μs
写 1：拉低 1–15μs，释放保持 60μs
读位：拉低 ≥1μs，释放后 15μs 内采样
3.8.19 STM32 上的 DS18B20 驱动移植
GPIO 方向切换函数：
#define DS18B20_PORT GPIOA
#define DS18B20_PIN GPIO_Pin_1
/* 设置为输出模式 */
void DS18B20_Mode_Out(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = DS18B20_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
/* 设置为输入模式 */
void DS18B20_Mode_In(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = DS18B20_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
#define DS18B20_DQ_LOW() GPIO_ResetBits(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)
#define DS18B20_DQ_HIGH() GPIO_SetBits(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)
#define DS18B20_DQ_READ() GPIO_ReadInputDataBit(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)
复位与应答检测：
/**
* @brief DS18B20 复位，检测存在脉冲
* @return 0: 传感器存在，1: 未检测到
*/
uint8_t DS18B20_Reset(void)
{
uint8_t presence;
DS18B20_Mode_Out();
DS18B20_DQ_LOW();
delay_us(480); // 复位脉冲 ≥480μs
DS18B20_DQ_HIGH();
delay_us(60); // 等待存在脉冲
DS18B20_Mode_In();
presence = DS18B20_DQ_READ(); // 低电平=存在
delay_us(240); // 等待总线释放
return presence; // 0=正常
}
3.8.20 温度读取完整实现与调试
写字节与读字节：
void DS18B20_WriteByte(uint8_t byte)
{
DS18B20_Mode_Out();
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
DS18B20_DQ_LOW();
delay_us(2);
if (byte & 0x01)
DS18B20_DQ_HIGH(); // 写 1
delay_us(60);
DS18B20_DQ_HIGH();
byte >>= 1;
}
}
uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
uint8_t byte = 0;
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
DS18B20_Mode_Out();
DS18B20_DQ_LOW();
delay_us(2);
DS18B20_Mode_In();
delay_us(10);
byte >>= 1;
if (DS18B20_DQ_READ())
byte |= 0x80;
delay_us(50);
}
return byte;
}
温度读取主函数：
/**
* @brief 读取 DS18B20 温度（单位：0.0625°C/LSB）
* @return 实际温度 = 返回值 * 0.0625
*/
float DS18B20_ReadTemp(void)
{
uint8_t temp_l, temp_h;
int16_t raw;
float temperature;
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM（单个传感器）
DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动温度转换
delay_ms(750); // 12 位精度转换时间 750ms
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0xCC);
DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读暂存器
temp_l = DS18B20_ReadByte(); // 低字节
temp_h = DS18B20_ReadByte(); // 高字节
raw = (temp_h << 8) | temp_l;
temperature = raw * 0.0625f;
return temperature;
}
移植常见问题：
| 问题 | 原因 | 解决 |
|---|---|---|
| 复位无应答 | 上拉电阻缺失或阻值错误 | 确认 4.7kΩ 上拉至 VCC |
| 读取恒为 85°C | 上电默认值，未真正完成转换 | 等待 750ms 转换时间 |
| 读取值偏差大 | 延时不准确，时序错误 | 用逻辑分析仪验证 1-Wire 时序 |
| IO 方向切换 慢 | 使用库函数切换耗时 | 改用直接寄存器操作 GPIOA->CRL |
附录
常用定时器配置速查
/* 1ms 定时（72MHz）*/
TIM_Init(999, 71); // PSC=71, ARR=999 → T = 1ms
/* 10kHz PWM（72MHz）*/
TIM_PWM_Init(719, 9); // PSC=9, ARR=719 → f=10kHz
/* 1s 定时（72MHz）*/
TIM_Init(9999, 7199); // PSC=7199, ARR=9999 → T=1s
定时器资源占用建议
| 用途 | 推荐定时器 |
|---|---|
| 系统滴答 / 延时 | SysTick |
| 普通定时中断 | TIM6、TIM7 |
| PWM 输出 | TIM2–TIM5 |
| 电机控制（互补 PWM） | TIM1、TIM8 |
| 输入捕获（测频/测宽） | TIM2–TIM5 |
| 看门狗 | IWDG（独立）/ WWDG（窗口） |
笔记版本：v1.0 | 平台：STM32F103 | 库：标准外设库（SPL）