2019年09月18日 | 第18章 SysTick—系统定时器—零死角玩转STM32-F429系列

本章参考资料《 ARM Cortex™-M4F 技术参考手册》-4.5 章节SysTick Timer(STK)，和4.48章节SHPRx，其中STK这个章节有SysTick的简介和寄存器的详细描述。因为SysTick是属于CM4内核的外设，有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm4.h这个头文件中实现。所以学习SysTick的时候可以参考这两个资料，一个是文档，一个是源码。

18.1 SysTick简介

SysTick—系统定时器是属于CM4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，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，一般我们设置系统时钟SYSCLK等于180M。当重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。

因为SysTick是属于CM4内核的外设，所以所有基于CM4内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在CM4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。

18.2 SysTick寄存器介绍

SysTick—系统定时有4个寄存器，简要介绍如下。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。

表 181 SysTick寄存器汇总

表 182 SysTick控制及状态寄存器

表 183 SysTick 重装载数值寄存器

表 184 SysTick当前数值寄存器

表 185 SysTick校准数值寄存器

系统定时器的校准数值寄存器在定时实验中不需要用到。有关各个位的描述这里引用手册里面的英文版本，比较晦涩难懂，暂时不知道这个寄存器用来干什么。有研究过的朋友可以交流，起个抛砖引玉的作用。

18.3 SysTick定时实验

利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。

18.3.1 硬件设计

SysTick属于单片机内部的外设，不需要额外的硬件电路，剩下的只需一个LED灯即可。

18.3.2 软件设计

这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。我们创建了两个文件：bsp_SysTick.c和bsp_ SysTick.h文件用来存放SysTick驱动程序及相关宏定义，中断服务函数放在stm32f4xx_it.h文件中。

1.    编程要点

1、设置重装载寄存器的值

2、清除当前数值寄存器的值

3、配置控制与状态寄存器

2.    代码分析

SysTick 属于内核的外设，有关的寄存器定义和库函数都在内核相关的库文件core_cm4.h中。

SysTick配置库函数

代码 181SysTick配置库函数

1 __STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

2 {

3 // 不可能的重装载值，超出范围

4 if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) {

5 return (1UL);

6 }

7

8 // 设置重装载寄存器

9 SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL);

10

11 // 设置中断优先级

12 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

13

14 // 设置当前数值寄存器

15 SysTick->VAL = 0UL;

16

17 // 设置系统定时器的时钟源为AHBCLK=180M

18 // 使能系统定时器中断

19 // 使能定时器

20 SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

21 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |

22 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

23 return (0UL);

24 }

用固件库编程的时候我们只需要调用库函数SysTick_Config()即可，形参ticks用来设置重装载寄存器的值，最大不能超过重装载寄存器的值2^24，当重装载寄存器的值递减到0的时候产生中断，然后重装载寄存器的值又重新装载往下递减计数，以此循环往复。紧随其后设置好中断优先级，最后配置系统定时器的时钟为180M，使能定时器和定时器中断，这样系统定时器就配置好了，一个库函数搞定。

SysTick_Config()库函数主要配置了SysTick中的三个寄存器：LOAD、VAL和CTRL，有关具体的部分看代码注释即可。

配置SysTick中断优先级

在SysTick_Config()库函数还调用了固件库函数NVIC_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该库函数也在core_m4.h中定义，原型如下：

1 __STATIC_INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)

2 {

3 if ((int32_t)IRQn < 0) {

4 SCB->SHP[(((uint32_t)(int32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] =

5 (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

6 } else {

7 NVIC->IP[((uint32_t)(int32_t)IRQn)] =

8 (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

9 }

10 }

因为SysTick属于内核外设，跟普通外设的中断优先级有些区别，并没有抢占优先级和子优先级的说法。在STM32F429中，内核外设的中断优先级由内核SCB这个外设的寄存器：SHPRx（x=1.2.3）来配置。有关SHPRx寄存器的详细描述可参考《Cortex-M4内核编程手册》4.4.8章节。下面我们简单介绍下这个寄存器。

SPRH1-SPRH3是一个32位的寄存器，但是只能通过字节访问，每8个字段控制着一个内核外设的中断优先级的配置。在STM32F429中，只有位7:3这高四位有效，低四位没有用到，所以内核外设的中断优先级可编程为：0~15，只有16个可编程优先级，数值越小，优先级越高。如果软件优先级配置相同，那就根据他们在中断向量表里面的位置编号来决定优先级大小，编号越小，优先级越高。

表 186 系统异常优先级字段

如果要修改内核外设的优先级，只需要修改下面三个寄存器对应的某个字段即可。

图 181 SHPR1寄存器

图 182 SHPR2寄存器

图 183 SHPR3寄存器

在系统定时器中，配置优先级为(1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL)，其中宏__NVIC_PRIO_BITS为4，那计算结果就等于15，可以看出系统定时器此时设置的优先级在内核外设中是最低的。

1 // 设置系统定时器中断优先级

2 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

但是，问题来了，刚刚我们只是学习了内核的外设的优先级配置。如果我同时使用了systick和片上外设呢？而且片上外设也刚好需要使用中断，那systick的中断优先级跟外设的中断优先级怎么设置？会不会因为systick是内核里面的外设，所以它的中断优先级就一定比内核之外的外设的优先级高？

从《STM32中断应用概览》这章我们知道，外设在设置中断优先级的时候，首先要分组，然后设置抢占优先级和子优先级。而systick这类内核的外设在配置的时候，只需要配置一个寄存器即可，取值范围为0~15。既然配置方法不同，那如何区分两者的优先级？下面举例说明。

比如配置一个外设的中断优先级分组为2，抢占优先级为1，子优先级也为1，systick的优先级为固件库默认配置的15。当我们比较内核外设和片上外设的中断优先级的时候，我们只需要抓住NVIC的中断优先级分组不仅对片上外设有效，同样对内核的外设也有效。我们把systick的优先级15转换成二进制值就是1111(0b)，又因为NVIC的优先级分组2，那么前两位的11(0b)就是3，后两位的11(0b)也是3。无论从抢占还是子优先级都比我们设定的外设的优先级低。如果当两个的软件优先级都配置成一样，那么就比较他们在中断向量表中的硬件编号，编号越小，优先级越高。

SysTick初始化函数

代码 182 SysTick初始化函数

1 /**

2 * @brief 启动系统滴答定时器 SysTick

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

6 void SysTick_Init(void)

7 {

8 /* SystemFrequency / 1000 1ms中断一次

9 * SystemFrequency / 100000 10us中断一次

10 * SystemFrequency / 1000000 1us中断一次

11 */

12 if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000)) {

13 /* Capture error */

14 while (1);

15 }

16 }

SysTick初始化函数由用户编写，里面调用了SysTick_Config()这个固件库函数，通过设置该固件库函数的形参，就决定了系统定时器经过多少时间就产生一次中断。

SysTick中断时间的计算

SysTick定时器的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间TDEC=1/CLKAHB，当重装载寄存器中的值VALUELOAD减到0的时候，产生中断，可知中断一次的时间TINT=VALUELOAD * TDEC中断= VALUELOAD/CLKAHB，其中CLKAHB =180MHZ。如果设置为180，那中断一次的时间TINT=180/180M=1us。不过1us的中断没啥意义，整个程序的重心都花在进出中断上了，根本没有时间处理其他的任务。

SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000))

SysTick_Config（）的形我们配置为SystemCoreClock / 100000=180M/100000=1800，从刚刚分析我们知道这个形参的值最终是写到重装载寄存器LOAD中的，从而可知我们现在把SysTick定时器中断一次的时间TINT=1800/180M=10us。

SysTick定时时间的计算

当设置好中断时间TINT后，我们可以设置一个变量t，用来记录进入中断的次数，那么变量t乘以中断的时间TINT就可以计算出需要定时的时间。

SysTick定时函数

现在我们定义一个微秒级别的延时函数，形参为nTime，当用这个形参乘以中断时间TINT就得出我们需要的延时时间，其中TINT我们已经设置好为10us。关于这个函数的具体调用看注释即可。

1 /**

2 * @brief us延时程序,10us为一个单位

3 * @param

4 * @arg nTime: Delay_us( 1 ) 则实现的延时为 1 * 10us = 10us

5 * @retval 无

6 */

7 void Delay_us(__IO u32 nTime)

8 {

9 TimingDelay = nTime;

10

11 while (TimingDelay != 0);

12 }

函数Delay_us()中我们等待TimingDelay为0，当TimingDelay为0的时候表示延时时间到。变量TimingDelay在中断函数中递减，即SysTick每进一次中断即10us的时间TimingDelay递减一次。

SysTick中断服务函数

1 void SysTick_Handler(void)

2 {

3 TimingDelay_Decrement();

4 }

中断复位函数调用了另外一个函数TimingDelay_Decrement()，原型如下：

1 /**

2 * @brief 获取节拍程序

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 * @attention 在 SysTick 中断函数 SysTick_Handler()调用

6 */

7 void TimingDelay_Decrement(void)

8 {

9 if (TimingDelay != 0x00) {

10 TimingDelay--;

11 }

12 }

TimingDelay的值等于延时函数中传进去的nTime的值，比如nTime=100000，则延时的时间等于100000*10us=1s。

主函数

1 int main(void)

2 {

3 /* LED 端口初始化 */

4 LED_GPIO_Config();

5

6 /* 配置SysTick 为10us中断一次,时间到后触发定时中断，

7 *进入stm32fxx_it.c文件的SysTick_Handler处理，通过数中断次数计时

8 */

9 SysTick_Init();

10

11 while (1) {

12

13 LED_RED;

14 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

15

16 LED_GREEN;

17 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

18

19 LED_BLUE;

20 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

21 }

22 }

主函数中初始化了LED和SysTick，然后在一个while循环中以1s的频率让LED闪烁。

上面的实验，我们是使用了中断，而且经过多个函数的调用，还使用了全局变量，理解起来挺费劲的，其实还有另外一种更简洁的写法。我们知道，systick的counter从reload值往下递减到0的时候，CTRL寄存器的位16:countflag会置1，且读取该位的值可清0，所有我们可以使用软件查询的方法来实现延时。具体代码见代码 183和代码 184，我敢肯定这样的写法，初学者肯定会更喜欢，因为它直接，套路浅。

代码 183 systick 微秒级延时

1 void SysTick_Delay_Us( __IO uint32_t us)

2 {

3 uint32_t i;

4 SysTick_Config(SystemCoreClock/1000000);

5

6 for (i=0; i

7 // 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1

8 while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );

9 }

10 // 关闭SysTick定时器

11 SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

12 }

代码 184 systick 毫秒级延时

1 void SysTick_Delay_Ms( __IO uint32_t ms)

2 {

3 uint32_t i;

4 SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);

5

6 for (i=0; i

7 // 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1

8 // 当置1时，读取该位会清0

9 while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );

10 }

11 // 关闭SysTick定时器

12 SysTick->CTRL &=~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

13 }

另外一种更简洁的定时编程

在这两个微秒和毫秒级别的延时函数中，我们还是调用了SysTick_Config这个固件库函数，有关这个函数的说明具体见代码 185。配套代码注释理解即可。其中SystemCoreClock是一个宏，大小为72000000，如果不想使用这个宏，也可以直接改成数字。

代码 185 systick 配置函数

1 // 这个固件库函数在 core_cm3.h中

2 static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

3 {

4 // reload 寄存器为24bit，最大值为2^24

5 if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) return (1);

6

7 // 配置 reload 寄存器的初始值

8 SysTick->LOAD = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;

9

10 // 配置中断优先级为 1<<4 -1 = 15，优先级为最低

11 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);

12

13 // 配置 counter 计数器的值

14 SysTick->VAL = 0;

15

16 // 配置systick 的时钟为 72M

17 // 使能中断

18 // 使能systick

19 SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

20 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |

21 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

22 return (0);

23 }