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定时器类型 ​

Author：余生

核心底层组件回顾 ​

在深入分类之前，先明确所有定时器共有的核心硬件模块：

  1. 时钟源选择逻辑：决定定时器使用哪个时钟（内部时钟、外部时钟、另一个定时器的输出等）。
  2. 预分频器 (PSC)：一个 16 位可编程分频器，对输入时钟进行分频，产生计数器的时钟 CK_CNT 。
  3. 计数器 (CNT)：一个 16 位（或 32 位，如 TIM2, TIM5）的向上 / 向下 / 中央对齐计数器。其时钟为 CK_CNT 。
  4. 自动重装载寄存器 (ARR)：一个 16 位（或 32 位）寄存器，存储计数器的上限值。当 CNT 达到 ARR 时发生溢出。
  5. 更新事件 (UEV)：当 CNT 发生溢出（或因软件 / 事件强制更新）时产生的事件。这是定时器最基础的事件。
  6. 更新中断 / DMA 请求：更新事件可以触发中断或 DMA 请求。
  7. 控制寄存器 (CR1, CR2, SMCR, DIER, EGR, CCMR, CCER, CNT, PSC, ARR, CCRx, DCR, DMAR 等)：通过配置这些寄存器来控制定时器的行为。

现在，我们看它们如何组合成不同类型的定时器。

1. 基本定时器 (Basic Timer) - 以 TIM6/TIM7 为例 ​

定位：功能最简单，成本最低，专为提供周期性更新事件而设计。常用于为 DAC 提供触发时钟，或作为简单的延时 / 中断源。

底层结构与关键特征 ​

  • 时钟源：仅支持内部时钟 ( CK_INT )。没有外部时钟输入引脚或复杂的时钟选择逻辑。
  • 计数器 (CNT)：16 位向上计数器。不支持向下或中央对齐模式。
  • 预分频器 (PSC)：16 位可编程分频器。
  • 自动重装载 (ARR)：16 位寄存器。
  • 核心功能模块：
    • 更新事件 (UEV)：当 CNT 从 ARR 溢出回 0 时产生。
    • 更新中断 (UIF)：UEV 可触发中断。
    • DMA 请求：UEV 可触发 DMA 请求。
    • 主模式 (Master Mode)：可以将更新事件作为触发输出 (TRGO) 信号，去触发其他外设（如 ADC、DAC、其他定时器）。这是其一个重要用途。
  • 缺失的功能：
    • 无 GPIO 引脚：基本定时器 没有 与 GPIO 复用的通道。它不能直接输出任何信号到芯片引脚。
    • 无输入捕获 / 输出比较单元：没有 CCRx 寄存器，没有捕获 / 比较通道逻辑。
    • 无编码器接口。
    • 无死区时间生成。
  • 总结：就是一个 “纯” 计数器，产生周期性的 “滴答”（更新事件），并通过中断、DMA 或 TRGO 信号通知系统其他部分。 纯软件定时，无 IO 交互 。

2. 通用定时器 (General-Purpose Timer) - 以 TIM2, TIM3, TIM4, TIM5 为例 ​

定位：功能全面，应用最广泛。在基本定时器的基础上，增加了与外部世界交互的能力。

通用定时器之所以 “通用”，其核心在于每个通道（CH1-CH4）都配备了一个高度可配置的数字协处理器 —— 捕获 / 比较单元 (Capture/Compare Unit)。它通过同一套硬件，在 “输入” 和 “输出” 两种截然不同的功能间无缝切换，实现了 “一物多用”。

  • 捕获 (Capture) - “记录时间”：
    • 目标：在外部事件（如引脚电平变化）发生的精确瞬间，将当前计数器 (CNT) 的值锁存到一个寄存器中。
    • 应用：测量脉冲宽度、频率，记录事件发生的时间戳。
  • 比较 (Compare) - “精确控制时间”：
    • 目标：将计数器 (CNT) 的当前值与一个预设值 (CCR) 进行比较，当两者相等时，硬件自动执行一个预定义的动作（如翻转 IO、置高、置低）。
    • 应用：生成精确的 PWM 信号、在特定时间点翻转 GPIO、实现周期性任务。

理解这个单元的底层结构，是掌握通用定时器强大功能的关键。

底层硬件模块详解：捕获 / 比较单元的解剖 ​

一个通用定时器的每个通道（CH1-CH4）都包含一套独立的捕获 / 比较单元。其核心由以下几个部分组成，信号流从 GPIO 引脚流向定时器内部逻辑。

1. 输入滤波与边沿检测 (Input Filter & Edge Detector) - “信号净化站” ​

  • 位置：位于通道的最前端，直接连接到复用的 GPIO 引脚。

  • 功能：

    • 滤波 (Filter)：GPIO 引脚的信号常伴有毛刺（噪声）。滤波器是一个数字低通滤波器，通过 CCMRx 寄存器中的 ICxF 位配置。
      • 原理：它要求输入信号在连续 N 个 f_DTS 时钟周期内都保持稳定，才认为是一次有效的电平变化。 f_DTS 是由定时器时钟分频得到的采样时钟（可通过 CCMRx 的 ICxF 和 ICPSC 位配置分频比）。
      • 目的：消除高频噪声，防止误触发，确保捕获的边沿是真实的。
    • 边沿检测 (Edge Detection)：滤波后的信号进入边沿检测电路。通过 CCER 寄存器中的 CCxP 位（有时结合 CCMRx ）选择检测上升沿、下降沿或双边沿。

  • 输出：产生一个干净的、代表有效边沿的窄脉冲信号 TIxFPx 。这个脉冲通常只有一个 CK_INT 时钟周期宽，是触发后续动作的 “火药引信”。

2. 捕获 / 比较寄存器 (Capture/Compare Register - CCRx) - “双缓冲存储器” ​

  • 位置：核心存储单元。
  • 功能：这是一个双缓冲 (Double-Buffered) 的 16 位（或 32 位，如 TIM2/TIM5）寄存器，由两个物理寄存器构成：
    • 预装载寄存器 (Preload Register)：程序员直接写入或读取的寄存器。你在代码中调用 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, TIM_CHANNEL_1, 1000); 时，操作的就是这个寄存器。
    • 影子寄存器 (Shadow Register)：真正连接到比较逻辑的寄存器，其值决定硬件行为。
  • 工作原理：影子寄存器的更新时机由 CCMRx 寄存器中的 OCxPE (Output Compare Preload Enable) 位控制：
    • OCxPE = 0 (禁止预装载)：预装载寄存器的值会立即复制到影子寄存器。不推荐用于 PWM，因为可能在 PWM 周期中间改变占空比，导致产生非预期的窄脉冲。
    • OCxPE = 1 (使能预装载)：预装载寄存器的值会在下一个更新事件 (UEV) 发生时（即 CNT 溢出时），才被复制到影子寄存器。这保证了 PWM 参数的改变是同步的，避免了异常波形，是生成稳定 PWM 的关键。

3. 比较器 (Comparator) - “数字判官” ​

  • 位置：连接计数器 (CNT) 和 CCRx 影子寄存器。
  • 功能：这是一个简单的数字比较电路。
    • 它持续地、并行地比较计数器 (CNT) 的当前值和 CCRx 影子寄存器的值。
    • 输出：当 CNT == CCRx 时，输出一个高电平的比较匹配信号 (Compare Match)。这个信号在整个 CNT == CCRx 的时钟周期内都有效。

4. 捕获 / 比较控制逻辑 (Capture/Compare Control Logic) - “中央大脑” ​

  • 位置：协调所有模块的中央控制单元。其行为由 CCMRx 和 CCER 寄存器的配置决定。
  • 功能：这是一个状态机，根据 CCMRx 中的 CCxS （Capture/Compare Selection）位决定通道的工作模式。
    • A. 输入模式 (Input Capture Mode) - CCxS[1:0] != 00
      • 信号路径： TIxFPx (来自滤波 / 边沿检测) -> 控制逻辑。
      • 动作：当 TIxFPx 脉冲到来时（代表有效边沿），控制逻辑立即执行：
        1. 将当前计数器 (CNT) 的值锁存（复制）到 CCRx 影子寄存器中。
        2. 置位捕获 / 比较标志位 (CCxIF) 在 SR (Status Register) 寄存器中。
        3. （如果使能）触发捕获 / 比较中断。
        4. （如果使能）触发 DMA 请求。
      • 关键点：此时 CCRx 被用作 捕获寄存器 ，存储的是事件发生时的时间戳（CNT 值）。
    • B. 输出模式 (Output Compare Mode) - CCxS[1:0] = 00
      • 信号路径： CNT 和 CCRx (影子寄存器) -> 比较器 -> Compare Match 信号 -> 控制逻辑。
      • 动作：当 Compare Match 信号有效时（ CNT == CCRx ），控制逻辑根据 CCMRx 中的 OCxM[2:0] （Output Compare Mode）位执行预定义的动作：
        1. Toggle：翻转输出引脚的电平。
        2. Active/High：将输出引脚置为高电平（有效电平）。
        3. Inactive/Low：将输出引脚置为低电平（无效电平）。
        4. Forced Active/Inactive：强制输出，不依赖比较。
        5. PWM Mode 1/2：这是最复杂的模式，不仅依赖 CNT == CCRx ，还依赖 CNT == 0 （或 CNT == ARR ，取决于计数方向）和更新事件来改变输出。控制逻辑内部有更复杂的逻辑来实现 PWM 波形。
      • 关键点：此时 CCRx 被用作 比较寄存器 ，存储的是一个预设的时间点或占空比值。

5. 输出控制与极性 (Output Control & Polarity) - “最终执行者” ​

  • 位置：通道的最后阶段，连接到 GPIO 的复用功能控制器。
  • 功能：
    • 极性控制：通过 CCER 寄存器中的 CCxP 位，可以反转最终输出到 GPIO 引脚的信号极性。
      • CCxP = 0 ：正常极性（如 PWM 模式 1 中， CNT < CCRx 时输出高电平）。
      • CCxP = 1 ：反向极性（ CNT < CCRx 时输出低电平）。
    • 使能控制：通过 CCER 寄存器中的 CCxE 位，可以打开或关闭该通道的输出功能。
    • 最终输出信号 (OCxREF / OCx)：控制逻辑产生的原始信号（ OCxREF ）经过极性控制后，变成最终的 OCx 信号，送到 GPIO 引脚。

完整的信号流示例 ​

场景 1：输入捕获 - 测量 **** 脉冲宽度 ​

  1. 外部信号（待测脉冲） -> GPIO 引脚 -> 复用到 TIMx_CH1。
  2. 信号进入 输入滤波与边沿检测 -> 产生干净的 TIxFP1 脉冲（上升沿）。
  3. TIxFP1 脉冲触发 捕获 / 比较控制逻辑 。
  4. 控制逻辑立即将 当前 CNT 的值 （例如 5000 ）锁存到 CCR1 影子寄存器 。
  5. 控制逻辑置位 SR 寄存器中的 CC1IF 标志位。
  6. （如果使能）CPU 收到中断，执行 ISR。
  7. ISR 中读取 CCR1 的值，得到第一个边沿的时间戳 T1 = 5000 。
  8. 稍后，下降沿的 TIxFP1 脉冲到来，重复步骤 4-7，得到 T2 = 8000 。
  9. 脉冲宽度 = (T2 - T1) * T_tick 。

场景 2：输出比较 - PWM**** 输出 ​

  1. 程序员设置 ARR = 999 (周期 1000 个滴答)， CCR1 = 250 (占空比 25%)， OC1PE = 1 (使能预装载)。
  2. 计数器 CNT 从 0 开始向上计数。
  3. CNT 和 CCR1 (影子寄存器) 的值持续输入 比较器 。
  4. 当 CNT == 0 (周期开始)：根据 PWM 模式 1， 控制逻辑 将 OC1REF 设为 高电平 。
  5. CNT 继续增加。
  6. 当 CNT == 250 ( CCR1 的值)： 比较匹配 发生。 控制逻辑 将 OC1REF 设为 低电平 。
  7. CNT 继续增加到 999 。
  8. 当 CNT == 999 ：发生 更新事件 (UEV) 。 CNT 清零，同时 CCR1 预装载寄存器的值（如果已更改）被复制到影子寄存器。
  9. 下一个周期开始，重复步骤 4-8，产生稳定的 PWM 波。

总结：通用定时器的底层优势 ​

STM32 通用定时器的强大和灵活，源于其捕获 / 比较单元的精巧设计：

  1. 双模式切换：通过 CCMRx 寄存器，同一套硬件可在 “记录时间”（捕获）和 “ 精确控制时间 ”（比较 / PWM）间切换。
  2. 双缓冲机制： CCRx 的预装载 / 影子结构，确保了参数更新的 原子性 和 同步性 ，是生成稳定 PWM 的基石。
  3. 硬件自动化：从检测边沿、锁存 CNT 值，到比较、翻转 IO，全过程由硬件自动完成， 不消耗 CPU 周期 ，精度达时钟周期级别。
  4. 灵活配置：通过 CCMRx 、 CCER 等寄存器，可精细控制滤波、边沿、模式、极性、使能等所有行为。
  5. 扩展功能：支持 外部时钟源 和 编码器接口模式 ，能适应更复杂的测量和控制场景。

理解了这些底层硬件模块如何协同工作，你就真正掌握了通用定时器的 “灵魂”，能够自信地利用它完成各种高精度的嵌入式任务。

3. 高级定时器 (Advanced-Control Timer) - 以 TIM1, TIM8 为例（目前大概知道就行） ​

定位：功能最强大、最复杂，专为需要 高精度、高可靠性 的复杂控制应用设计，特别是 三相电机控制 （如 FOC）和 数字电源 。

底层结构与关键特征（在通用定时器基础上增加） ​

  • 所有通用定时器的功能：支持内部 / 外部时钟、向上 / 下 / 中央对齐计数、4 个捕获 / 比较通道（CH1-CH4）、输入捕获、输出比较、PWM、编码器接口等。
  • 核心新增功能模块：
    • 互补通道 (Complementary Channels)：
      1. 除了 CH1-CH4，还有 CH1N, CH2N, CH3N, CH4N。
      2. 这些是互补输出，即当 CHx 输出高电平时，CHxN 输出低电平，反之亦然。
      3. 用于驱动 H 桥电路的上桥臂和下桥臂，防止直通（Shoot-Through）。
    • 死区时间生成 (Dead-Time Generation)：
      1. 这是高级定时器的标志性功能。
      2. 在 CHx 和 CHxN 的切换过程中，硬件自动插入一段死区时间 (Dead Time)。
      3. 在这段死区时间内，CHx 和 CHxN 都输出为无效电平（通常是低电平，通过 BDTR 寄存器的 MOE 和 OSSI/OSSR 控制）。
      4. 目的：确保在 H 桥中，当一个桥臂的 MOSFET 完全关断后，另一个桥臂的 MOSFET 才导通，防止电源短路。
      5. 死区时间通过 BDTR 寄存器中的 DTG[7:0] 位精确配置（通常为纳秒级）。
    • 刹车 (Break) 功能：
      1. 一个紧急停机机制。
      2. 通过 BKIN 引脚（或软件）输入一个高优先级的刹车信号。
      3. 硬件立即（通常在一个时钟周期内）响应，根据 BDTR 寄存器的配置：
        • 将所有输出通道（CHx 和 CHxN）强制设置为预定义的安全状态（如高阻、低电平、高电平）。
        • 清除计数器。
        • 可选地触发刹车中断。
      4. 用于电机过流、过压、过热等故障保护。
    • 重复计数器 (Repetition Counter, RCR)：
      1. 一个 8 位计数器。
      2. 更新事件（UEV）不是每次溢出都发生，而是每经过 RCR + 1 次溢出才发生一次。
      3. 目的：实现更长的延迟或更低的中断频率，同时保持计数器的高分辨率。
    • 高级控制寄存器 (BDTR - Break and Dead-Time Register)：
      1. 集中控制刹车、死区、主输出使能 ( MOE )、OSSR/OSSI 等高级功能。
    • 更复杂的主 / 从模式：支持更灵活的定时器同步和联动。
    • 更高的计数频率：通常能运行在更高的 APB 时钟频率下。
  • 总结：高级定时器 = 通用定时器 + 互补输出 (CHxN) + 死区时间生成 + 硬件刹车 (Break) + 重复计数器 (RCR)。专为高可靠性、高效率的功率电子控制而生。

对比总结表 ​

特性基本定时器 (TIM6/7)通用定时器 (TIM2-5, 9-14)高级定时器 (TIM1/8)
主要用途延时、DAC/ADC 触发通用测量、控制、PWM电机控制、数字电源
GPIO**** 通道无4 个 (CH1-CH4)6 个 (CH1-CH4, CH1N-CH3N)
互补输出 (CHxN)无无有
死区时间生成无无有
硬件刹车 (Break)无无有
重复计数器 (RCR)无无有
编码器 **** 接口无有有
外部时钟模式有限 / 无有有
计数器位数16 位16 位 或 32 位16 位
复杂度与成本最低中等最高

通过理解这些底层硬件模块的差异，你就能根据项目需求（是简单延时、测速、调光，还是控制电机）精准地选择最合适的定时器，并高效地配置其寄存器来实现功能。

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