STM32定時(shí)器詳解 -----影子寄存器，預裝寄存器

在STM32F10xxx系列的32位MCU上，定時(shí)器資源十分豐富，包括高級控制定時(shí)器，通用定時(shí)器和基本定時(shí)器。此外，還有能夠實(shí)現定時(shí)功能的系統滴答定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及看門(mén)狗。關(guān)于這些定時(shí)器的介紹，占據了STM32F10xxx參考手冊1/5的篇幅，可見(jiàn)其功能的強大。

在低容量和中容量的STM32F103xx產(chǎn)品，以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中，只有一個(gè)高級控制定時(shí)器TIM1。而在高容量和超大容量的STM32F103xx產(chǎn)品中，有兩個(gè)高級控制定時(shí)器TIM1和TIM8。

在所有STM32F10xxx系列產(chǎn)品中，都有通用定時(shí)器TIM2~TIM5，除非另有說(shuō)明。除此之外，在超大容量產(chǎn)品中，還有通用定時(shí)器TIM9~TIM14。

在高容量和超大容量的STM32F101xx和STM32F103xx產(chǎn)品，以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中，有兩個(gè)基本定時(shí)器TIM6和TIM7。

其中，高級控制定時(shí)器的功能最為強大，可以實(shí)現所有其他定時(shí)器的所有功能。TrailBreaker開(kāi)發(fā)板使用的是高容量的STM32F103ZE，因此有兩個(gè)高級控制定時(shí)器TIM1和TIM8。下面我們就著(zhù)重介紹這兩個(gè)高級控制定時(shí)器。

TIM1和TIM8簡(jiǎn)介

高級控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)由一個(gè)16位的自動(dòng)裝載計數器組成，它由一個(gè)可編程的預分頻器驅動(dòng)。 它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較、PWM、嵌入死區時(shí)間的互補PWM等)。 使用定時(shí)器預分頻器和RCC時(shí)鐘控制預分頻器，可以實(shí)現脈沖寬度和波形周期從幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒的調節。

關(guān)于實(shí)驗中用到的LED部分原理圖和GPIO跑馬燈實(shí)驗所用到的相同，在此不再多做介紹。

TIM1和TIM8定時(shí)器的功能包括：

16位向上、向下、向上/下自動(dòng)裝載計數器

16位可編程(可以實(shí)時(shí)修改)預分頻器，計數器時(shí)鐘頻率的分頻系數為1～65535之間的任意數值

多達4個(gè)獨立通道： ─ 輸入捕獲 ─ 輸出比較 ─ PWM生成(邊緣或中間對齊模式) ─ 單脈沖模式輸出

死區時(shí)間可編程的互補輸出

使用外部信號控制定時(shí)器和定時(shí)器互聯(lián)的同步電路

允許在指定數目的計數器周期之后更新定時(shí)器寄存器的重復計數器

剎車(chē)輸入信號可以將定時(shí)器輸出信號置于復位狀態(tài)或者一個(gè)已知狀態(tài)

如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷/DMA：

─ 更新：計數器向上溢出/向下溢出，計數器初始化(通過(guò)軟件或者內部/外部觸發(fā))

─ 觸發(fā)事件(計數器啟動(dòng)、停止、初始化或者由內部/外部觸發(fā)計數)

─ 輸入捕獲

─ 輸出比較

─ 剎車(chē)信號輸入

支持針對定位的增量(正交)編碼器和霍爾傳感器電路

觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理

高級定時(shí)器框圖和時(shí)鐘簡(jiǎn)介

如框圖中的紅框所示，紅框中的部分，也是時(shí)基單元（Time-base unit），對時(shí)基單元進(jìn)行設置，就可以完成基礎的定時(shí)器的使用設置。

計數器時(shí)鐘可由下列時(shí)鐘源提供：

● 內部時(shí)鐘(CK_INT)

● 外部時(shí)鐘模式1：外部輸入引腳

● 外部時(shí)鐘模式2：外部觸發(fā)輸入ETR

● 內部觸發(fā)輸入(ITRx)：使用一個(gè)定時(shí)器作為另一個(gè)定時(shí)器的預分頻器。如可以配置一個(gè)定時(shí)器Timer1而作為另一個(gè)定時(shí)器Timer2的預分頻器。詳見(jiàn)數據手冊的通用定時(shí)器部分。

內部時(shí)鐘源(CK_INT)：

如果禁止了從模式控制器(SMS=000)，則CEN、DIR(TIMx_CR1寄存器)和UG位(TIMx_EGR寄存器)是事實(shí)上的控制位，并且只能被軟件修改(UG位仍被自動(dòng)清除)。只要CEN位被寫(xiě)成’1’，預分頻器的時(shí)鐘就由內部時(shí)鐘CK_INT提供。 下圖顯示控制電路和向上計數器在一般模式下，不帶預分頻器時(shí)的操作。

外部時(shí)鐘源模式1

當TIMx_SMCR寄存器的SMS=111時(shí)，此模式被選中。計數器可以在選定輸入端的每個(gè)上升沿或下降沿計數。 下圖為T(mén)I2外部時(shí)鐘連接例子

例如，要配置向上計數器在T12輸入端的上升沿計數，使用下列步驟：

1.配置TIMx_CCMR1寄存器CC2S=01

2.配置通道2檢測TI2輸入的上升沿

3.配置TIMx_CCMR1寄存器的IC2F[3:0]，選擇輸入濾波器帶寬(如果不需要濾波器，保持IC2F=0000)

4.配置TIMx_CCER寄存器的CC2P=0，選定上升沿極性

5.配置TIMx_SMCR寄存器的SMS=111，選擇定時(shí)器外部時(shí)鐘模式1

6.配置TIMx_SMCR寄存器中的TS=110，選定TI2作為觸發(fā)輸入源

7.設置TIMx_CR1寄存器的CEN=1，使能計數器

注： 捕獲預分頻器不用作觸發(fā)，所以不需要對它進(jìn)行配置

當上升沿出現在TI2，計數器計數一次，且TIF標志被設置。 在TI2的上升沿和計數器實(shí)際時(shí)鐘之間的延時(shí)，取決于在TI2輸入端的重新同步電路。

下圖為外部時(shí)鐘模式1下的控制電路

外部時(shí)鐘源模式2

選定此模式的方法為：令TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1。

計數器能夠在外部觸發(fā)ETR的每一個(gè)上升沿或下降沿計數。

下圖是外部觸發(fā)輸入的框圖

設置從模式控制寄存器的ETP位選擇選擇是用ETR還是ETR的反相來(lái)作為觸發(fā)操作

例如，要配置在ETR下每2個(gè)上升沿計數一次的向上計數器，使用下列步驟：

1.本例中不需要濾波器，置TIMx_SMCR寄存器中的ETF[3:0]=0000

2.設置預分頻器，置TIMx_SMCR寄存器中的ETPS[1:0]=01

3.選擇ETR的上升沿檢測，置TIMx_SMCR寄存器中的ETP=0

4.開(kāi)啟外部時(shí)鐘模式2，寫(xiě)TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1

5.啟動(dòng)計數器，寫(xiě)TIMx_CR1寄存器中的CEN=1

計數器在每2個(gè)ETR上升沿計數一次。

在ETR的上升沿和計數器實(shí)際時(shí)鐘之間的延時(shí)取決于在ETRP信號端的重新同步電路。

下圖為外部時(shí)鐘模式2下的控制電路

如圖，該圖為STM32的時(shí)鐘樹(shù)，結合高級控制定時(shí)器框圖，我們可以看出，高級定時(shí)器的時(shí)鐘不是直接來(lái)自APB2，而是來(lái)自于輸入為APB2的一個(gè)倍頻器。

當APB2的預分頻系數為1時(shí)，這個(gè)倍頻器不起作用，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于A(yíng)PB2的頻率；當APB2的預分頻系數為其它數值(即預分頻系數為2、4、8或16)時(shí)，這個(gè)分頻器起作用，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于A(yíng)PB2的頻率相應倍數。

假定AHB=36MHz，因為APB2允許的最大頻率為72MHz，所以APB2的預分頻系數可以取任意數值；當預分頻系數=1時(shí)，APB2=72MHz，TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率=72MHz(分頻器不起作用)；當預分頻系數=2時(shí)，APB1=36MHz，在倍頻器的作用下，TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率=72MHz。

有人會(huì )問(wèn)，既然需要TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率為72MHz，為什么不直接取APB2的預分頻系數=1？答案是：APB2不但要為T(mén)IM1和TIM8提供時(shí)鐘，而且還要為其它外設提供時(shí)鐘；設置這個(gè)倍頻器可以在保證其它外設使用較低時(shí)鐘頻率時(shí)，TIM1和TIM8仍能得到較高的時(shí)鐘頻率。

再舉個(gè)例子：當AHB=72MHz時(shí)，APB2因為其他設備需要，時(shí)鐘為36MHZ，因為這個(gè)倍頻器，TIM1和TIM8仍然能夠得到72MHz的時(shí)鐘頻率。能夠使用更高的時(shí)鐘頻率，無(wú)疑提高了定時(shí)器的分辨率，這也正是設計這個(gè)倍頻器的初衷。

高級定時(shí)器寄存器簡(jiǎn)介

可編程高級控制定時(shí)器的主要部分是一個(gè)16位計數器和與其相關(guān)的自動(dòng)裝載寄存器。這個(gè)計數器可以向上計數、向下計數或者向上向下雙向計數。此計數器時(shí)鐘由預分頻器分頻得到。 計數器、自動(dòng)裝載寄存器和預分頻器寄存器可以由軟件讀寫(xiě)，即使計數器還在運行讀寫(xiě)仍然有效。

時(shí)基單元，也就是決定了定時(shí)器的基本功能的模塊包含：

1.計數器寄存器(Counter register，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)IMx_CNT)

2.預分頻器寄存器 (Prescaler register，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)IMx_PSC)

3.自動(dòng)裝載寄存器 (Auto-reload register，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)IMx_ARR)

4.重復次數寄存器 (Repetition counter register，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)IMx_RCR)

1.影子寄存器

這張圖是高級定時(shí)器框圖的一部分，細心的人可以發(fā)現預分頻器寄存器、自動(dòng)重載寄存器和捕捉/比較寄存器下面有一個(gè)陰影，其他的寄存器有些也有陰影。

這表示在物理上這個(gè)寄存器對應2個(gè)寄存器：一個(gè)是我們可以可以寫(xiě)入或讀出的寄存器，稱(chēng)為預裝載寄存器，另一個(gè)是我們看不見(jiàn)的、無(wú)法真正對其讀寫(xiě)操作的，但在使用中真正起作用的寄存器，稱(chēng)為影子寄存器.

數據手冊介紹預裝載寄存器的內容可以隨時(shí)傳送到影子寄存器，即兩者是連通的(permanently)，或者在每一次更新事件(UEV)時(shí)才把預裝載寄存器的內容傳送到影子寄存器。

原文如下：

The auto-reload register is preloaded. Writing to or reading from the auto-reload register accesses the preload register. The content of the preload register are transferred into the shadow register permanently or at each update event (UEV), depending on the auto-reload preload enable bit (ARPE) in TIMx_CR1 register. The update event is sent when the counter reaches the overflow (or underflow when downcounting) and if the UDIS bit equals 0 in the TIMx_CR1 register. It can also be generated by software. The generation of the update event is described in detailed for each configuration.

在圖中的，表示對應寄存器的影子寄存器可以在發(fā)生更新事件時(shí)，被更新為它的預裝載寄存器的內容；而圖中的部分，表示對應的自動(dòng)重載寄存器可以產(chǎn)生一個(gè)更新事件(U)或更新事件中斷(UI)。

設計預裝載寄存器和影子寄存器的好處是，所有真正需要起作用的寄存器(影子寄存器)可以在同一個(gè)時(shí)間(發(fā)生更新事件時(shí))被更新為所對應的預裝載寄存器的內容，這樣可以保證多個(gè)通道的操作能夠準確地同步。如果沒(méi)有影子寄存器，軟件更新預裝載寄存器時(shí)，則同時(shí)更新了真正操作的寄存器，因為軟件不可能在一個(gè)相同的時(shí)刻同時(shí)更新多個(gè)寄存器，結果造成多個(gè)通道的時(shí)序不能同步，如果再加上例如中斷等其它因素，多個(gè)通道的時(shí)序關(guān)系有可能會(huì )混亂，造成是不可預知的結果。

2.預分頻寄存器

預分頻器可以將計數器的時(shí)鐘頻率按1到65536之間的任意值分頻。它是基于一個(gè)在TIMx_PSC寄存器中的16位寄存器控制的16位計數器。因為這個(gè)控制寄存器帶有緩沖器，它能夠在運行時(shí)被改變。新的預分頻器的參數在下一次更新事件到來(lái)時(shí)被采用。

下面給出了在預分頻器運行時(shí)，更改計數器參數的例子

當預分頻器的參數從1變到2時(shí)，計數器的時(shí)序圖如下：

當預分頻器的參數從1變到4時(shí)，計數器的時(shí)序圖如下：

預分頻寄存器各位的描述如下：

位15:0 PSC[15:0]：預分頻值

計數器的時(shí)鐘頻率（CK_CNT）等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。

PSC的值保存在預分頻寄存器的預裝載寄存器中，在每次更新事件時(shí)加載至影子寄存器.

3.計數器寄存器

高級定時(shí)器計數模式：在向上計數模式中，計數器從0計數到自動(dòng)加載值(TIMx_ARR計數器的內容)，然后重新從0開(kāi)始計數并且產(chǎn)生一個(gè)計數器溢出事件。

如果使用了重復計數器功能，在向上計數達到設置的重復計數次數(TIMx_RCR)時(shí)，產(chǎn)生更新事件(UEV)；否則每次計數器溢出時(shí)才產(chǎn)生更新事件。

在事件產(chǎn)生寄存器寄存器中(通過(guò)軟件方式或者使用從模式控制器)設置UG位也同樣可以產(chǎn)生一個(gè)更新事件。 設置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位，可以禁止更新事件；這樣可以避免在向預裝載寄存器中寫(xiě)入新值時(shí)更新影子寄存器。在UDIS位被清’0’之前，將不產(chǎn)生更新事件。但是在應該產(chǎn)生更新事件時(shí)，計數器仍會(huì )被清’0’，同時(shí)預分頻器的計數也被請0(但預分頻器的數值不變)。此外，如果設置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求)，設置UG位將產(chǎn)生一個(gè)更新事件UEV，但硬件不設置UIF標志(即不產(chǎn)生中斷或DMA請求)。這是為了避免在捕獲模式下清除計數器時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當發(fā)生一個(gè)更新事件時(shí)，所有的寄存器都被更新，硬件同時(shí)(依據URS位)設置更新標志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)。

● 重復計數器被重新加載為T(mén)IMx_RCR寄存器的內容。

● 自動(dòng)裝載影子寄存器被重新置入預裝載寄存器的值(TIMx_ARR)。

● 預分頻器的緩沖區被置入預裝載寄存器的值(TIMx_PSC寄存器的內容)。

下面給出一些例子，當TIMx_ARR=0x36時(shí)計數器在不同時(shí)鐘頻率下的動(dòng)作。

內部時(shí)鐘分頻因子為1 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為2 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為4時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為N時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

當ARPE=0時(shí)的更新事件(TIMx_ARR沒(méi)有預裝入) 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

當ARPE=1時(shí)的更新事件(TIMx_ARR預裝入) 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

在向下模式中，計數器從自動(dòng)裝入的值(TIMx_ARR計數器的值)開(kāi)始向下計數到0，然后從自動(dòng)裝入的值重新開(kāi)始并且產(chǎn)生一個(gè)計數器向下溢出事件。

如果使用了重復計數器，當向下計數重復了重復計數寄存器(TIMx_RCR)中設定的次數后，將產(chǎn)生更新事件(UEV)，否則每次計數器下溢時(shí)才產(chǎn)生更新事件。

在TIMx_EGR寄存器中(通過(guò)軟件方式或者使用從模式控制器)設置UG位，也同樣可以產(chǎn)生一個(gè)更新事件。

設置TIMx_CR1寄存器的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免向預裝載寄存器中寫(xiě)入新值時(shí)更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會(huì )產(chǎn)生更新事件。然而，計數器仍會(huì )從當前自動(dòng)加載值重新開(kāi)始計數，并且預分頻器的計數器重新從0開(kāi)始(但預分頻系數不變)。

此外，如果設置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ，設置UG位將產(chǎn)生一個(gè)更新事件UEV但不設置UIF標志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求)，這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計數器時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當發(fā)生更新事件時(shí)，所有的寄存器都被更新，并且(根據URS位的設置)更新標志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設置。

● 重復計數器被重置為T(mén)IMx_RCR寄存器中的內容

● 預分頻器的緩存器被加載為預裝載的值(TIMx_PSC寄存器的值)。

● 當前的自動(dòng)加載寄存器被更新為預裝載值(TIMx_ARR寄存器中的內容)。

注：自動(dòng)裝載在計數器重載入之前被更新，因此下一個(gè)周期將是預期的值。

下面是一些當TIMx_ARR=0x36時(shí)，計數器在不同時(shí)鐘頻率下的動(dòng)作。

內部時(shí)鐘分頻因子為1 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為2 時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為4時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

內部時(shí)鐘分頻因子為N時(shí)的計數器時(shí)序圖如下：

當沒(méi)有使用重復計數器時(shí)的更新事件時(shí)的計數器時(shí)序圖：

中央對齊模式(up/down counting) 在中央對齊模式，計數器從0開(kāi)始計數到自動(dòng)加載的值(TIMx_ARR寄存器)−s211，產(chǎn)生一個(gè)計數器溢出事件，然后向下計數到1并且產(chǎn)生一個(gè)計數器下溢事件；然后再從0開(kāi)始重新計數。

在此模式下，不能寫(xiě)入TIMx_CR1中的DIR方向位。它由硬件更新并指示當前的計數方向。

可以在每次計數上溢和每次計數下溢時(shí)產(chǎn)生更新事件；也可以通過(guò)(軟件或者使用從模式控制器)設置TIMx_EGR寄存器中的UG位產(chǎn)生更新事件。然后，計數器重新從0開(kāi)始計數，預分頻器也重新從0開(kāi)始計數。

設置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免在向預裝載寄存器中寫(xiě)入新值時(shí)更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會(huì )產(chǎn)生更新事件。然而，計數器仍會(huì )根據當前自動(dòng)重加載的值，繼續向上或向下計數。 此外，如果設置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ，設置UG位將產(chǎn)生一個(gè)更新事件UEV但不設置UIF標志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求)，這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計數器時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當發(fā)生更新事件時(shí)，所有的寄存器都被更新，并且(根據URS位的設置)更新標志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設置。