06. 系统滴答定时器

kurome / 2023-07-26 / 原文

一、SysTick定时器简介

SysTick，即系统滴答定时器，是属于 CM3 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，SysTick 的时钟源自 HCLK。当计数值减到 0 时，将从 RELOAD 寄存器中自动重装载定时初值，开始新一轮计数。只要不把它在 SysTick 控制及状态寄存器中的使能位清除，就永不停息。

因为 SysTick 是属于 CM3 内核的外设，所以所有基于 CM3 内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在 CM3 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。

二、SysTick工作原理

每次 VAL 减到 0 时，VAL 自动从 LOAD 重载，开始新的一轮递减计数；

三、SysTick寄存器介绍

SysTick 有4个寄存器。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。

3.1、SysTick控制及状态寄存器（CTRL）

3.2、SysTick重装载数值寄存器（LOAD）

3.3、SysTick当前数值寄存器（VAL）

3.4、SysTick校准数值寄存器（CALIB）

四、SysTick定时时间的计算

SysTick 的时钟源自 HCLK ，它的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间 \(T_{DEC}\)=1/HCLK，，假设配置系统时钟为 72MHZ，经过分频器 8 分频后，那么 SysTick 的时钟即为 9Mhz，也就是 SysTick 的计数器 VAL 每减 1，就代表时间过了 1/9us。

SysTick 延迟初始化函数：

uint16_t  g_frequency_us = 0;                                                   // us延时倍乘数

/*******************************************************************************
 * @brief       : 延迟初始化函数
 * @param       : clock: 系统时钟频率，单位为MHz
 * @return      : None
 * @author      : Sakura
 * @date        : 2023/7/11
 *******************************************************************************
 * @description : None
 ******************************************************************************/
void Delay_Init(uint8_t clock)
{
  SysTick->CTRL = 0;                                                            // 清Systick状态
  HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK_DIV8);                     // Systick使用内核时钟源8分频,因Systick的计数器最大值只有2^24
  g_frequency_us = clock / 8;                                                   // 1us作为基础时基
}

微秒级延迟函数：

/*******************************************************************************
 * @brief       : 微秒级延迟函数
 * @param       : us: 要延迟的微秒数
 * @return      : None
 * @author      : Sakura
 * @date        : 2023/7/11
 *******************************************************************************
 * @description : 系统时钟频率为72MHz时,最大延迟时间为1.86s
                  系统时钟频率超频为128MHz时,最大延迟时间为1.04s
 ******************************************************************************/
void Delay_us(uint32_t us)
{
  uint32_t temp;
  
  SysTick->LOAD = us * g_frequency_us;                                          // 延迟时间加载
  SysTick->VAL = 0x00;                                                          // 清空计数器
  SysTick->CTRL |= 1<<0;                                                        // 开始倒数
  
  do {
    temp = SysTick->CTRL;
  }while ((temp & 0x01) && !(temp & (1<<16)));                                  // CTRL.ENABLE位必须为1,并等待时间到达
  
  SysTick->CTRL &= ~(1<<0);                                                     // 关闭Systick
  SysTick->VAL = 0x00;                                                          // 清空计数器
}

毫秒级延迟函数：

/*******************************************************************************
 * @brief       : 毫秒级延迟函数
 * @param       : ms: 要延迟的毫秒数
 * @return      : None
 * @author      : Sakura
 * @date        : 2023/7/11
 *******************************************************************************
 * @description : None
 ******************************************************************************/
void Delay_ms(uint32_t ms)
{
  uint32_t repeat = ms / 1000;                                                  // 考虑到超频情况,delay_us()最大延迟时间为1.04s
  uint32_t remain = ms % 1000;
  
  while (repeat)
  {
    Delay_us(1000 * 1000);                                                      // 利用Delay_us()实现1000ms延时
    repeat--;
  }
  
  if (remain)
  {
    Delay_us(remain * 1000);                                                    // 利用Delay_us(),实现尾数延迟（remain ms）
  }
}

五、HAL库延时函数HAL_Delay

HAL 库实现延时功能非常简单，首先定义了一个 32 位全局变量 uwTick，在 Systick 中断服务函数 SysTick_Handler 中通过调用 HAL_IncTick 实现 uwTick 值不断增加，也就是每隔 1ms 增加 uwTickFreq，而 uwTickFreq 默认是 1。而 HAL_Delay 函数在进入函数之后先记录当前 uwTick 的值，然后不断在循环中读取 uwTick 当前值，进行减运算，得出的就是延时的毫秒数。

/**
  * @brief This function provides minimum delay (in milliseconds) based
  *        on variable incremented.
  * @note In the default implementation , SysTick timer is the source of time base.
  *       It is used to generate interrupts at regular time intervals where uwTick
  *       is incremented.
  * @note This function is declared as __weak to be overwritten in case of other
  *       implementations in user file.
  * @param Delay specifies the delay time length, in milliseconds.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;

  /* Add a freq to guarantee minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)(uwTickFreq);
  }

  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
  }
}

/**
  * @brief Provides a tick value in millisecond.
  * @note  This function is declared as __weak to be overwritten in case of other
  *       implementations in user file.
  * @retval tick value
  */
__weak uint32_t HAL_GetTick(void)
{
  return uwTick;
}

/**
  * @brief This function handles System tick timer.
  */
void SysTick_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 0 */
  HAL_IncTick();
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 1 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 1 */
}

/**
  * @brief This function is called to increment  a global variable "uwTick"
  *        used as application time base.
  * @note In the default implementation, this variable is incremented each 1ms
  *       in SysTick ISR.
  * @note This function is declared as __weak to be overwritten in case of other
  *      implementations in user file.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_IncTick(void)
{
  uwTick += uwTickFreq;
}

但是，HAL 库的延时函数在中断服务函数中使用 HAL_Delay 会引起混乱（虽然一般禁止在中断中使用延时函数），因为它是通过中断方式实现，而 Systick 的中断优先级是最低的，所以在中断中运行 HAL_Delay 会导致延时出现严重误差。

HAL 库的 ms 级别的延时函数 __weak void HAL_Delay(uint32_t Delay)；它是弱定义函数，所以用户可以自己重新定义该函数。