STM32 TIM 定时器深度剖析：结构、时基、中断与应用开发（超形象详解）

文章目录

定时器（TIM）
- 定时器种类与分布
- 定时器的基本结构
- 时基单元
- - 时基单元基本结构
  - 计数器计数方向
  - 时基单元时钟来源计算
  - 寄存器预加载机制
- 自制延时函数
- - 获取单片机当前时间
  - 实现延迟函数
  - 初始化定时器3的时基单元
  - 配置中断
  - 编写中断响应函数
  - 测试延迟函数

定时器（TIM）

定时器种类与分布

定时器种类：单片机里定时器分高级、通用、基本三种，功能上高级定时器最全，通用定时器是在高级定时器基础上阉割部分功能，基本定时器则是在通用定时器基础上再阉割部分功能。
分布情况：STM32F1 系列芯片最多有 14 个定时器，定时器 1 和 8 是高级定时器，定时器 6 和 7 是基本定时器，定时器 2 到 5 以及定时器 9 到 14 是通用定时器。实际使用芯片中有 1 个高级定时器（定时器 1）和 3 个通用定时器（定时器 2 - 4），学习编程一般以高级定时器 1 为例。

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定时器的基本结构

时基单元，输出比较，输入捕获，从模式控制器四个部分。

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时基单元

时基单元基本结构

时钟源：时钟信号主要有两个来源，通常认为来自上一章学习的时钟树，一个为从模式控制器。
预分频器：因输入时钟信号频率高，需用预分频器降频，其分频系数等于 PSC 的值加 1 。
计数器 CNT：对经过分频后的脉冲信号计数，每来一个脉冲，计数器的值增加 1。
自动重装寄存器 ARR：用于设置定时周期，定时周期的值等于 ARR 的值加 1。当计数器 CNT 的值增长到与 ARR 相等时，会发生溢出，然后从 0 开始重新计数。
重复计数器 RCR：设置重复计数的次数。没有 RCR 时，计数器 CNT 每溢出一次产生一个 update 事件；加入 RCR 后，计数器 CNT 需要溢出 RCR + 1 次才产生一个 update 事件。

和手表类似，手表有石英晶振提供时钟信号，还有其他电路装置进行降频，秒针相当于一个计数器，ARR为59，周期为60，RCR为0，每一个周期产生一个事件。

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计数器计数方向

上计数（count up）：从 0 开始，左边每来一个脉冲，计数器 CNT 的值增加 1，直到增长到和自动重装计算器 ARR 相等时发生溢出，然后从 0 开始重新计数。
下计数（count down）：与上计数相反，从 ARR 开始计数，左边每来一个脉冲，计数器 CNT 的值减少 1，直到减少到 0 发生溢出，然后从 ARR 开始重新计数。
中心对齐（center line）：首先从 0 开始上计数到 ARR，然后转变成下计数，从 ARR 开始又计数到 0，完成一个定时周期。下计数和中心对齐用得较少，一般用上计数。

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时基单元时钟来源计算

分辨率和周期概念：类比手表，分辨率是计时的最小间隔，周期是转一圈所消耗的时间。对于定时器，计数器 CNT 每跳一下所消耗的时间是分辨率，从某点到计数器溢出是计数周期。
计算过程：以设置定时器 3 的 11 单元分辨率为 1 微秒，周期为 1 毫秒为例。先根据时钟树确定输入信号频率，当前配置下所有定时器时钟频率为 72 兆赫兹。要得到 1 微秒分辨率即 1 兆赫兹信号，设置预分频器 PSC 值为 71 ；要设置 1 毫秒周期，自动重装寄存器 AR 值为 999，重复计数器 RCR 值为 0。

TIM_CLK是系统自动配置的，如果APB2和APB1的分频系数为1，TIM_CLK = PCLK2，如果其他系数 TIM_CLK = 2 * PCLK2，右面同理。

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寄存器预加载机制

预加载机制，如果阴影为黑色，表示默认为开启，灰色表示默认为关闭。

概念：向寄存器写值时，先写入影子寄存器，值不会立即生效，等计数器 CNT 溢出产生 update 事件时，影子寄存器的值才进入活动寄存器并生效，这种缓存机制叫寄存器预加载。

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作用：以自动重装寄存器 AR 为例，在定时器运行中改变 AR 值，不使用预加载机制会导致定时器跑飞，加入预加载机制后，可避免该问题，使计数周期正常过渡。

未使用预加载寄存器

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使用了预加载寄存器

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自制延时函数

使用定时器3和中断函数自制延时函数，因为使用的是while轮询等待所以还是会造成程序阻塞。

获取单片机当前时间

定时器配置：假设时基单元输入时钟频率 72 兆赫兹，设置 PSC 值为 71 对输入时钟 72 分频，得到 1 兆赫兹时钟频率，周期 1 微秒；设置定时周期为 1000（999 + 1），即 1 毫秒；设置重复计数器 RCR 值为 0，使 update 事件频率 1 毫秒一次，激活 update 标志位产生中断。
变量声明与作用：声明无符号 32 位整型变量 current tick ，赋初值 0，用于记录单片机当前时间（单位毫秒），变量前加 volatile 关键字（作用与中断有关，可自行百度学习）。
中断响应操作：中断每毫秒产生一次，在中断响应函数中让 current tick 值增加 1，从而记录单片机开机后的时间。

实现延迟函数

函数设计：定义延迟函数 APP delay，参数为要延迟的毫秒数。
实现思路：用 current tick 获取当前时间，加上要延迟的时间得到延迟结束时间 expire time ，通过 while 循环等待当前时间超过延迟结束时间，函数结束即实现延迟。

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初始化定时器3的时基单元

第一步：使能时钟：定时器 3 在 APB1 总线上，调用 RCC_APB1PeriphClockCmd 开启其时钟。
第二步：配置参数：学习 TIM_TimeBaseInit 编程接口，声明结构体变量 TM_TimeBaseInitTypeDef 并赋值，设置预分频器 PSC 值 71、周期值 999、计数方向为上计数、重复计数器 RCR 值 0，调用该接口完成参数配置。
第三步：闭合开关：学习 TIM_Cmd 编程接口，用该接口闭合开关使定时器运行。

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配置中断

使能 update 中断：学习 TIM_ITConfig 编程接口，通过该接口闭合 update 标志位产生中断的开关。
配置 NVIC 模块：
- 先在 main 方法开头配置中断优先级分组；
- 再声明结构体变量 NVIC_InitTypeDef 并赋值，设置定时器 3 中断相关参数，调用 NVIC_Init 完成 NVIC 模块配置。

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编写中断响应函数

找到函数名：在启动文件的中断向量表中找到定时器 3 的中断响应函数 TIM3_IRQHandler ，复制到 main.c 文件进行实现。
函数内容：先通过 TM_GetFlagStatus 检查是否由 update 标志位触发中断，若是则用 TM_ClearFlag 清除标志位，再让 current tick 值加 1。

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测试延迟函数

初始化板载 LED：写函数初始化板载 LED（PC13 引脚），开启 GPIOC 时钟，声明结构体变量并设置相关参数，初始化完成后关灯。
编写闪灯程序：在 main 方法的 while 循环中编写闪灯代码，调用 APP delay 延迟函数，实现不同闪烁效果（如亮 500 毫秒灭 500 毫秒、两次短闪一次长闪等），编译下载代码到单片机测试，验证延迟函数可用。

完整main.c代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervolatile uint32_t currentTick = 0;
void App_delay(uint32_t ms);
void App_TIM3_BaseInit(void);
void App_GpioInit(void);
int main(void)
{NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);App_TIM3_BaseInit();App_GpioInit();while(1){GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);App_delay(100);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);App_delay(100);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);App_delay(500);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);App_delay(500);}
}
//自制延时函数逻辑
void App_delay(uint32_t ms)
{uint32_t extime = ms + currentTick;while(extime > currentTick);
}
//定时器3初始化
void App_TIM3_BaseInit(void)
{//开启定时器3的时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);//配置时基单元参数TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseInitStruct;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 999;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 71;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStruct);//闭合时基单元开关TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);//使能updateTIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);//配置NVIC模块NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);}
void TIM3_IRQHandler(void)
{//先判断是不是要的中断if(TIM_GetFlagStatus(TIM3, TIM_FLAG_Update) == SET){//将中断标志位清除TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);//操作currentTick++;}
}
void App_GpioInit(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}