單片機中各種周期的關(guān)系與定時(shí)器原理

　　在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫(xiě)等，這每一項工作稱(chēng)為一個(gè)基本操作。

　　時(shí)鐘周期：

　　時(shí)鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時(shí)間發(fā)出的脈沖數，一般有外部的振晶產(chǎn)生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒發(fā)出12000000個(gè)脈沖信號，那么發(fā)出一個(gè)脈沖的時(shí)間就是時(shí)鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統時(shí)鐘周期。是計算機中最基本的、最小的時(shí)間單位。

　　在8051單片機中把一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節拍(用P表示)，二個(gè)節拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期(用S表示)。

　　機器周期：

　　在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫(xiě)等，這每一項工作稱(chēng)為一個(gè)基本操作。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱(chēng)為機器周期。一般情況下，一個(gè)機器周期由若干個(gè)S周期(狀態(tài)周期)組成。8051系列單片機的一個(gè)機器周期同6個(gè)S周期(狀態(tài)周期)組成。前面已說(shuō)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節拍(用P表示)，二個(gè)節拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期(用S表示)，8051單片機的機器周期由6個(gè)狀態(tài)周期組成，也就是說(shuō)一個(gè)機器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)時(shí)鐘周期。

　　在標準的51單片機中，一般情況下，一個(gè)機器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，也就是機器周期=12*時(shí)鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那么機器周期=1微秒。單片機工作時(shí)，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執行。單片機訪(fǎng)問(wèn)一次存儲器的時(shí)間，稱(chēng)之為一個(gè)機器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準。

　　機器周期不僅對于指令執行有著(zhù)重要的意義，而且機器周期也是單片機定時(shí)器和計數器的時(shí)間基準。例如一個(gè)單片機選擇了12MHZ晶振，那么當定時(shí)器的數值加1時(shí)，實(shí)際經(jīng)過(guò)的時(shí)間就是1us，這就是單片機的定時(shí)原理。

　　但是在8051F310中，CIP-51 微控制器內核采用流水線(xiàn)結構，與標準的 8051 結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個(gè)標準的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個(gè)系統時(shí)鐘周期，最大系統時(shí)鐘頻率為 12-24MHz。而對于 CIP-51 內核，70%的指令的執行時(shí)間為 1或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，只有 4 條指令的執行時(shí)間大于 4 個(gè)系統時(shí)鐘周期。 所以在計算定時(shí)器的值時(shí)要注意這里的變化。

　　指令周期：

　　指令周期是執行一條指令所需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數也不同。對于一些簡(jiǎn)單的的單字節指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機器周期。

　　系統時(shí)鐘：

　　系統時(shí)鐘：系統時(shí)鐘就是CPU指令運行的頻率，這個(gè)才是CPU真正的頻率。

　　單片機內部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個(gè)觸發(fā)信號源，由這個(gè)信號來(lái)同步協(xié)調工作步驟，我們把這個(gè)信號稱(chēng)為系統時(shí)鐘，系統時(shí)鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機內部系統時(shí)鐘不一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機內部結構決定，正常情況和晶振頻率會(huì )存在一個(gè)整數倍關(guān)系。系統時(shí)種是整個(gè)單片機工作節奏的基準，它每振蕩一次，單片機就被觸發(fā)執行一次操作。

　　一般來(lái)說(shuō),單片機只有一個(gè)時(shí)鐘源.用了外部晶振,就不用內部RC,用了內部RC,就不用外部晶振.振蕩器振蕩,產(chǎn)生周期波.單片機在這樣的周期波的作用一下有規律的一拍一拍的工作,波的頻率越高,單片工作得就越快,波的頻率越低,單片機工作得就越慢。

　　有了以上的概念以后，就可以正確的理解定時(shí)器的工作原理了，在8051F310單片機中，有3個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計時(shí)器，最大數值是65535,當再加1時(shí)(=65536)，就會(huì )發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計1000個(gè)數， 那么定時(shí)初值就是65536-1000，結果就是64536，這個(gè)值送給TH、TL，因為是16進(jìn)制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

　　再者，就是每一計數的時(shí)間是多久?一般我們取12M晶振時(shí)，一個(gè)周期剛好是1us，計數1000個(gè)就是1ms，這是因為標準的51單片機是12時(shí)鐘周期的(STC有6時(shí)鐘和1時(shí)鐘方式)。那么，如果我們晶振是12M，就比較好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每個(gè)計數是2us，那么你要定時(shí)1ms就只要計數500個(gè)即可以。

　　定時(shí)器的初值跟定時(shí)器的工作方式，跟晶振頻率都有關(guān)系。一個(gè)機器周期Tcy=晶振頻率X12，計數次數N=定時(shí)時(shí)間t/機器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數化成十六進(jìn)制就行了。這里是用定時(shí)器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。這里有一個(gè)公式：

　　TH=(65536-time/(12/ft))/256

　　其中，time就是要延時(shí)的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個(gè)式子又可以簡(jiǎn)化成

　　TH=(65536-time*ft/12)/256

　　TL=(65536-time*ft/12)%6

　　在一本書(shū)上還看到了這樣計算定時(shí)初值的：

　　TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時(shí)初值

　　TL0=-(50235%6); ///這里使用的6M晶體，

　　這里是6M晶體，延時(shí)100ms，那么按上面講的原理，6M是每個(gè)計數為2us，100ms定時(shí)就是計數50000個(gè)。

　　那么，定時(shí)器初值要 65536-50000=15536，轉成16進(jìn)是3CB0。這就是要送給TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

　　程序中寫(xiě) TH0=-(50235/256);其實(shí)它是這樣的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取負數，其結果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十進(jìn)制的256)去減，結果是多少呢?結果就是3C。

　　以STM32F103為例，進(jìn)行解析

　　STM32的TIM一般有高級定時(shí)器TIM1，(TIM8只有在互聯(lián)性產(chǎn)品有)，普通定時(shí)器TIM2，TIM3，TIM4，(TIM5，TIM6，TIM7有點(diǎn)設備中沒(méi)有);今天就只介紹普通定時(shí)器，因為高級定時(shí)器我還不會(huì )!每一個(gè)普通定時(shí)器都有4路通道!

　　這個(gè)是分頻器的工作原理，我們可以看，分頻器設定之前分頻系數為1[1]，后面的[2][3][4]分頻系數為2，分頻系數改變后，計數周期也跟著(zhù)改變了;同時(shí)預分頻設置生效時(shí)，他還會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，這個(gè)中斷信號不要管他，一個(gè)系統時(shí)鐘周期后會(huì )自動(dòng)消失，跟I2C的差不多!

　　3、stm32f103zet6 定時(shí)器

　　大容量的STM32F103XX增強型系列產(chǎn)品包含最多2個(gè)高級控制定時(shí)器、4個(gè)普通定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器，以及2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和1個(gè)系統嘀嗒定時(shí)器。

　　下表比較了高級控制定時(shí)器、普通定時(shí)器和基本定時(shí)器的功能：

　　定時(shí)器功能比較

　　1)計數器三種計數模式

　　向上計數模式：從0開(kāi)始，計到arr預設值，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計時(shí)

　　向下計數模式：從arr預設值開(kāi)始，計到0，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計時(shí)

　　中央對齊模式：從0開(kāi)始向上計數，計到arr產(chǎn)生溢出事件，然后向下計數，計數到1以后，又產(chǎn)生溢出，然后再從0開(kāi)始向上計數。(此種技術(shù)方法也可叫向上/向下計數)

　　2)高級控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)

　　兩個(gè)高級控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)可以被看成是分配到6個(gè)通的三三相PWM發(fā)生器，它具有帶死區插入的互補PWM輸出，還可以被當成完整的通用定時(shí)器。四個(gè)獨立的通道可以用于：

　　(1)輸入捕獲

　　(2)輸出比較

　　(3)產(chǎn)生PWM(邊緣或中心對齊模式)

　　(4)單脈沖輸出

　　配置為16位標準定時(shí)器時(shí)，它與TIMX定時(shí)器具有相同的功能。配置為16位PWM發(fā)生器時(shí)，它具有全調制能力(0~100%)。在調試模式下，計數器可以被凍結，同時(shí)PWM輸出被禁止，從而切斷由這些輸出所控制的開(kāi)關(guān)。很多功能都與標準的TIM定時(shí)器相同，內部結構也相同，因此高級控制定時(shí)器可以通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與TIM定時(shí)器協(xié)同操作，提供步或事件鏈接功能。

　　3)通用定時(shí)器(TlMx)

　　STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增強型系列產(chǎn)品中，內置了多達4 個(gè)可同步運行的標準定時(shí)器(TIM2、TIM3、TIM4和TIM5)。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)16位的自動(dòng)加載遞加/遞減計數器、一個(gè)16位的預分頻器和4個(gè)獨立的通道，每個(gè)通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多16個(gè)輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與高級控制定時(shí)器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調試模式下，計數器可以被凍結。任一標準定時(shí)器都能用于產(chǎn)生：PWM輸出。每個(gè)定時(shí)器都有獨立的DMA請求機制。

　　這些定時(shí)器還能夠處理增量編碼器的信號，也能處理1至3個(gè)霍爾傳感器的數字輸出。

　　4)基本定時(shí)器-TlM6和TIM7

　　這2個(gè)定時(shí)器主要是用于產(chǎn)生：DAC觸發(fā)信號，也可當成通用的16位時(shí)基計數器。獨立看門(mén) 狗獨立的看門(mén)狗是基于一個(gè)12位的遞減計數器和一個(gè)8位的預分頻器，它由一個(gè)內部獨立的40kHz的RC振蕩器提供時(shí)鐘; 因為這個(gè)RC振蕩器獨立于主時(shí)鐘，所以它可運行于停機和待機模式。它可以被當成看門(mén)狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復位整個(gè)系統，或作為一個(gè)自由定時(shí)器為應用程序提供超時(shí)管理。通過(guò)選項字節可以配置成是軟件或硬件啟動(dòng)看門(mén)狗。在調試模式下，計數器可以被凍結。

　　5)窗口看門(mén)狗

　　窗口看門(mén)狗內有一個(gè)7位的遞減計數器，并可以設置成自由運行。它可以被當成看門(mén)狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復位整個(gè)系統。它由主時(shí)鐘驅動(dòng)，具有早期預警中斷功能; 在調試模式下，計數器可以被凍結。

　　6)系統時(shí)基定時(shí)器

　　這個(gè)定時(shí)器是專(zhuān)用于實(shí)時(shí)操作系統，也可當成一個(gè)標準的遞減計數器。它具有下述特性：

　　(1)24位的遞減計數器

　　(2)自動(dòng)重加載功能

　　(3)當計數器為0時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)可屏蔽系統中斷

　　(4)可編程時(shí)鐘源

　　7)通用定時(shí)器的時(shí)鐘來(lái)源;

　　a：內部時(shí)鐘(CK_INT)

　　b：外部時(shí)鐘模式1：外部輸入腳(TIx)

　　c：外部時(shí)鐘模式2：外部觸發(fā)輸入(ETR)

　　d：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

　　8)通用定時(shí)期內部時(shí)鐘的產(chǎn)生：

　　從截圖可以看到通用定時(shí)器(TIM2-7)的時(shí)鐘不是直接來(lái)自APB1，而是通過(guò)APB1的預分頻器以后才到達定時(shí)器模塊。

　　當APB1的預分頻器系數為1時(shí)，這個(gè)倍頻器就不起作用了，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于A(yíng)PB1的頻率;

　　當APB1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)倍頻器起作用，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于A(yíng)PB1時(shí)鐘頻率的兩倍。

　　這里要分析一下幾個(gè)概念，也是理解定時(shí)器的功能的核心概念，通用定時(shí)器有些類(lèi)似于操作系統的定時(shí)器節拍，可以在定時(shí)器采用的時(shí)鐘源的基礎上再進(jìn)行分頻，然后再設定溢出大小，進(jìn)而實(shí)現定時(shí)的功能，當然自動(dòng)重載功能更不再話(huà)下。

　　預分頻的功能是使定時(shí)器在A(yíng)PB時(shí)鐘的基礎上再一次分頻，使其獨立的運行。就像上述代碼中舉例，預分頻系數設定為36000-1，則表示該定時(shí)器的 時(shí)鐘頻率就變成了72MHz/36000 = 2KHz，而“計數溢出大小”可以理解為自動(dòng)裝載數值，表示每隔x個(gè)計數溢出一次，可以產(chǎn)生1次中斷，當然這個(gè)頻率是經(jīng)過(guò)預分頻后的頻率。

　　所以從上述的分析可知，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間計算為：

　　Tout = (TIM_Period+1)*(TIM_Prescaler+1)/72000000

　　在本程序案例中：Tout= 2000*36000/72000000=1s

　　需要注意的是，公式中的72000000的使用，是因為該定時(shí)器采用的時(shí)鐘源為72MHz，如果配置成別的時(shí)鐘源，則相應公式也應該改變。

　　另外TIM_ClockDivision為時(shí)鐘分割，這個(gè)簡(jiǎn)單的講，就是定時(shí)器的數字濾波功能，設置成默認即可。