定时器基础

Author：余生

一、引入：为什么需要定时器？

• 生活类比：用 “沙漏”、“闹钟”、“秒表” 来比喻定时器，帮助学生建立直观印象。
• 实际需求：
  • 精确延时： delay_ms(1000) 为什么比 for 循环更可靠？
  • 周期性任务：每隔 1 秒读取一次传感器数据，如何实现？
  • 信号生成：如何产生让 LED 呼吸灯的 PWM 信号？
  • 事件测量：如何测量按键按下的时长？
• 结论：定时器是 MCU 的 “内置时钟”，能独立于 CPU 工作，实现高精度、低功耗的时间相关功能。

二、什么是定时器

• TIM（Timer）定时器
• 定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断
• 16 位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元，在 72MHz 计数时钟下可以实现最大 59.65s 的定时
• 不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能
• 根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型

三、定时器基础概念

1. 从 “波” 和 “频率” 开始

想象一下水面上的波浪：一个波峰接着一个波谷，再一个波峰…… 如此往复。这种周期性的运动是理解定时器的基础。

• 周期 (Period, T)：完成一个完整循环（例如，从一个波峰到下一个波峰）所需的时间。单位是秒（s）。
• 频率 (Frequency, f)：在 1 秒钟内，完成了多少个这样的完整循环。单位是赫兹（Hz）。
• 核心关系：频率 (f) = 1 / 周期 (T) 或 周期 (T) = 1 / 频率 (f)。
  • 例如：一个波每 0.5 秒重复一次（T=0.5s），那么它的频率就是 f = 1 / 0.5 = 2 Hz ，表示每秒振荡 2 次。
  • 再如：市电是 50Hz，意味着电流方向每秒改变 50 次，周期 T = 1/50 = 0.02秒 = 20毫秒 。

在数字电路中，最常见的 “波” 是方波。它只有两个状态：高电平（通常代表 1 或 3.3V）和低电平（通常代表 0 或 0V）。方波同样有周期和频率。

2. 如何产生一个方波？—— 需要一个 “计时器”

假设我们想让一个 LED 以 1Hz 的频率闪烁（亮 1 秒，灭 1 秒，周期 2 秒）。最笨的方法是用 CPU 不停地数数：

while(1) {
    LED_ON();
    delay_long_time(); // 这个函数内部可能是一个巨大的for循环
    LED_OFF();
    delay_long_time();
}

这种方法占用 CPU 资源，CPU 在这段时间内什么都不能做，效率极低。

解决方案：使用一个独立的 “小闹钟”—— 这就是定时器 (Timer)。CPU 只需要设置好这个 “闹钟”，然后就可以去干别的事了。当 “闹钟” 时间到，它会 “叫醒” CPU（通过中断），或者自己直接去翻转 LED 的状态。

3. 定时器的核心：计数器 (Counter)

STM32 的定时器本质上是一个数字计数器。它是一个可以自动加 1（或减 1）的寄存器。

• 时钟源 (Clock Source)：这个计数器需要一个 “心跳” 来驱动它。这个心跳就是时钟信号。STM32 的定时器通常使用 APB 总线时钟（如 72MHz）作为源头。
• 预分频器 (Prescaler, PSC)：72MHz 的时钟太快了！如果计数器直接接 72MHz，它每秒要加 7200 万次！我们通常需要更慢、更精确的 “滴答” 声。预分频器的作用就是把高速时钟 “切碎”。
  • 工作原理：预分频器接收高速时钟，每累计 PSC + 1 个时钟脉冲，才输出一个 “滴答” 给计数器。
  • 公式：计数器时钟频率 (f_counter) = 输入时钟频率 / (PSC + 1)
  • 例子：输入时钟 = 72MHz，PSC = 7199。那么
    • f_counter = 72,000,000 / (7199 + 1) = 72,000,000 / 7200 = 10,000 Hz = 10kHz 。
  • 计数器每秒加 1 万次，每次 “滴答” 间隔 T_tick = 1 / 10,000 = 0.0001秒 = 100微秒 (μs) 。

4. 计数器如何 “闹钟”？—— 自动重装载 (Auto-Reload, ARR)

现在计数器有了自己的 “滴答” 节奏（10kHz）。我们需要设定它多久 “闹” 一次。

• 自动重装载寄存器 (ARR)：这是一个设定值。计数器从 0 开始，每收到一个 “滴答” 就加 1。当计数器的值等于 ARR 时，会发生两件事：
  • 溢出 (Overflow)：计数器的值被清零（或根据模式重新加载），准备开始下一轮计数。
  • 事件触发：可以配置定时器在此时产生一个更新事件 (Update Event)。这个事件可以：
    1. 触发一个中断 (Interrupt)，让 CPU 执行中断服务程序（ISR）。
    2. 触发一个 DMA 请求。
    3. 让某个输出通道翻转状态（用于 PWM）。
• 计算定时周期：
  • 定时器溢出周期 (T_timer)：计数器从 0 数到 ARR 再清零所需的时间。
  • 公式：T_timer = (ARR + 1) /f_counter
    • (ARR + 1) 是因为计数器从 0 数到 ARR，总共经历了 ARR + 1 个 “滴答”。
  • 例子： f_counter = 10kHz (T_tick = 100μs) ，我们想要 1 秒的周期。
    • 需要的 “滴答” 数 N = T_timer / T_tick = 1s / 0.0001s = 10,000 。
    • 因为 N = ARR + 1 ，所以 ARR = N - 1 = 10,000 - 1 = 9999 。
    • 验证： T_timer = (9999 + 1) / 10,000 Hz = 10,000 / 10,000 = 1秒 。完美！

5. 定时器的 “工作模式”

根据计数器的计数方式，主要有：

• 向上计数模式 (Up Counter)：计数器从 0 开始，递增到 ARR，然后溢出清零。这是最常用的模式。
• 向下计数模式 (Down Counter)：计数器从 ARR 开始，递减到 0，然后溢出并重载 ARR。
• 中央对齐模式 (Center-Aligned)：计数器先向上计数到 ARR-1，再向下计数到 1，最后溢出。主要用于生成对称 PWM。

6. 定时器如何控制 LED？—— 输出比较 (Output Compare, OC)

定时器不仅能 “闹”，还能 “动手”。通过输出比较通道，它可以精确地在某个时间点改变 GPIO 引脚的状态。

• 比较寄存器 (Compare Register, CCRx)：每个输出通道（如 CH1, CH2）都有一个对应的 CCR（如 CCR1, CCR2）。
• 工作原理：
  • 计数器不断运行。
  • 定时器硬件会持续比较计数器的当前值和 CCRx 的值。
  • 当 计数器值 == CCRx 值 时，会发生比较匹配 (Compare Match) 事件。
  • 根据通道的配置模式，可以：
    1. 翻转输出引脚的电平（Toggle）。
    2. 将输出引脚置高（Set）。
    3. 将输出引脚置低（Reset）。
• 实现 PWM：这是输出比较最强大的应用。
  • PWM 频率：由 ARR 和 PSC 共同决定（ f_pwm = f_counter / (ARR + 1) ）。
  • 占空比 (Duty Cycle)：高电平时间占整个周期的比例。由 CCR 值决定。
    • 占空比 = CCRx / (ARR + 1)
  • 例子： ARR=99 (周期 100 个滴答)， f_counter=1MHz -> T_period=100μs , f_pwm=10kHz 。
    • 如果 CCR1=25 ，则占空比 = 25 / 100 = 25% 。输出波形：高电平 25μs，低电平 75μs。
    • 如果 CCR1=75 ，则占空比 = 75 / 100 = 75% 。输出波形：高电平 75μs，低电平 25μs。
  • 模式：通常使用 PWM 模式 1（计数器 <CCRx 时输出有效电平，>= CCRx 时输出无效电平）或 PWM 模式 2。

7. 总结：定时器的完整工作流

1. 配置时钟：选择定时器时钟源（通常是 APB 时钟）。
2. 设置预分频器 (PSC)：将高速时钟分频，得到计数器的 “滴答” 频率 f_counter 。
3. 设置自动重装载值 (ARR)：决定计数器的计数范围，从而确定定时器的基本周期 T_timer 。
4. 选择计数模式：通常为向上计数。
5. （可选）配置输出通道 (OC)：
   1. 将 GPIO 引脚复用为定时器通道。
   2. 设置比较寄存器 CCR 的值。
   3. 配置通道模式（如 PWM 模式）。
6. （可选）使能中断：在 NVIC 中使能定时器中断，以便在溢出或比较匹配时执行 ISR。
7. 启动定时器：调用 HAL_TIM_xxx_Start() 或 HAL_TIM_xxx_Start_IT() 。
8. 运行：
   1. 计数器在 f_counter 的驱动下开始计数。
   2. 当计数器值达到 ARR 时，发生更新事件（溢出），计数器清零，可触发中断。
   3. 当计数器值等于某个 CCR 时，发生比较匹配事件，可改变对应 GPIO 引脚的状态（如 PWM）。
   4. 循环往复。

通过这种方式，STM32 定时器就能独立于 CPU，精确地产生时间延迟、周期性中断和 PWM 信号，是嵌入式开发中不可或缺的工具。