STM32：深入理解定时器与使用定时中断实现精准延时

一、什么是定时器？

定时器，顾名思义就是用来定时的内部外设。不同的芯片型号上搭载了不同的定时器，定时器的类型也分为高级定时器，中级定时器，基本定时器。

高级定时器 (TIM1, TIM8等)

高级定时器功能最为强大，通常包含以下特性：

多通道 PWM 输出： 可以产生多个独立的 PWM 信号，用于电机控制、逆变器等应用。
互补输出： 支持互补的 PWM 输出，常用于控制三相电机。
死区时间插入： 在互补输出之间插入可编程的死区时间，防止功率器件同时导通。
编码器接口： 可以直接连接增量式编码器，用于测量旋转速度和方向。
触发输入和输出： 可以与其他定时器或外设进行同步触发。

高级定时器通常用于需要精确控制和复杂波形生成的场合。

中级定时器 (TIM2, TIM3, TIM4, TIM5等)

中级定时器也称为通用定时器，功能相对平衡，包含以下特性：

基本计数功能： 提供向上、向下或中央对齐的计数模式。
可编程预分频器： 可以对时钟源进行分频，以获得不同的计数频率。
自动重装载功能： 计数器溢出后可以自动重装载预设值。
输出比较功能： 可以产生单脉冲或用于 PWM 生成。
输入捕获功能： 可以捕获外部信号的上升沿、下降沿或双边沿。
触发输入和输出： 可以与其他定时器或外设进行同步触发。

中级定时器应用广泛，可以用于测量时间间隔、生成 PWM 信号、实现简单的定时中断等，例如您提供的链接中的实验就是使用了通用定时器 TIM3 来实现中断。

基本定时器 (TIM6, TIM7等)

基本定时器功能最为简单，主要用于产生基本的时间基准，包含以下特性：

简单的向上计数功能： 只能进行向上计数。
可编程预分频器： 可以对时钟源进行分频。
自动重装载功能： 计数器溢出后可以自动重装载预设值。

基本定时器通常用于驱动 DAC 转换器或者作为简单的延时功能。

网上有一个说法，定时器本质上就是计数器，何以见得，我觉得通过下面关于时基单元的介绍，也许能解释这个说法。

二、时基单元是什么，有什么用？

首先，我们引入一个东西，晶振，

晶振

晶体振荡器（Crystal Oscillator）是一种利用石英晶体的压电效应制成的谐振器件。当石英晶体受到外加电场的作用时会发生形变，反之，当石英晶体发生形变时也会产生电场。如果在石英晶体的两个电极之间施加一个交变电压，当电压的频率接近石英晶片的固有频率时，就会发生谐振现象，产生一个非常稳定的振荡信号。

在嵌入式系统中，晶振通常作为系统时钟的来源，为 CPU、外设等提供稳定的时序基准。晶振的频率非常精确且稳定，受温度和电压变化的影响较小，因此是实现精确定时的关键。常见的晶振频率有 8MHz、12MHz、25MHz 等。

总而言之，晶振会以一个一定的频率发出一个信号，我们使用一个计数器接受到信号，然后计数器得到的数，就反映了时间。时基单元的配置，就是配置信号的频率，以及我们需要定时的时间，这个定时的时间，其实也是通过对比计数器得到的数来体现的。

时基单元

时基单元（Time Base Unit）是定时器的核心组成部分，它负责产生定时器的时间基准。一个典型的时基单元包含以下几个关键组件：

时钟源 (Clock Source)： 定时器的计数时钟来源，通常是来自系统时钟（如 APB 总线时钟）经过选择和可能的预分频后的时钟信号。在 STM32 中，可以通过 RCC 寄存器配置时钟源和分频系数。
预分频器 (Prescaler, PSC)： 预分频器用于对输入的时钟源进行分频。通过设置预分频器的值，可以将时钟频率降低到适合计数器计数的范围。预分频器的作用是延长计数器的计数周期，从而实现更长时间的定时。例如，如果预分频器的值为 N，则计数器的时钟频率为输入时钟频率的 1/(N+1)。
计数器 (Counter, CNT)： 计数器是一个寄存器，它在每个时钟脉冲到来时进行递增（或递减，取决于计数模式）。计数器的位数决定了其最大计数值，例如一个 16 位的计数器可以计数到 65535。
自动重装载寄存器 (Auto-Reload Register, ARR)： 自动重装载寄存器存储着计数器需要达到的目标值。当计数器计数到 ARR 的值时，会发生以下动作之一（取决于配置）：
- 溢出 (Overflow)： 如果是向上计数模式，计数器会从 0 重新开始计数，并可能产生一个更新事件（Update Event），该事件可以触发中断。
- 比较匹配 (Compare Match)： 如果配置了输出比较功能，当计数器值等于某个比较寄存器的值时，也会产生相应的事件。

通过配置预分频器和自动重装载寄存器的值，可以精确地控制定时器的计数频率和计数周期，从而实现所需的定时时间。例如，假设 APB1 时钟频率为 36MHz，我们希望实现 1ms 的定时周期。可以将预分频器设置为 35，这样计数器的时钟频率就为 1MHz。然后将自动重装载寄存器设置为 999，这样计数器每计数 1000 次（即 1ms）就会溢出一次，产生更新事件。

时基单元原理图

时基单元的原理可以简单描述为：

一个时钟源信号输入到预分频器 (PSC)，预分频器根据配置的分频系数对时钟信号进行分频，得到计数器 (CNT) 的时钟信号。计数器在该时钟信号的驱动下进行计数，其计数值不断与自动重装载寄存器 (ARR) 中的值进行比较。当计数器的值达到或超过 ARR 的值时，会产生一个更新事件（Update Event）。这个更新事件可以触发中断标志位，从而引发定时中断。

逻辑连接示意：

Clock Source ---> Prescaler (PSC) ---> Counter (CNT) ---> Comparator (vs. Auto-Reload Register ARR) ---> Update Event Flag

三、定时中断是什么

理解了时基单元，自然就知道定时中断是什么了。当定时器的计数器计数到自动重装载寄存器设定的值，并产生更新事件时，如果使能了相应的中断，那么就会触发一个中断请求信号，CPU 响应这个请求后，会跳转到预先定义好的中断服务函数中执行相应的代码。在 STM32 中，需要配置定时器的中断使能位以及 NVIC（嵌套向量中断控制器），才能使能定时中断。您提供的链接中的实验就展示了如何配置 TIM3 的中断，并在中断服务函数中翻转 LED 的电平。关于中断，可以看这篇文章中断：嵌入式系统的高效事件处理机制_嵌入式单片机中断-CSDN博客文章浏览阅读315次，点赞3次，收藏5次。中断是嵌入式系统中一种重要的事件处理机制。它允许单片机在执行主程序的过程中，当有特定的外部事件发生时，能够暂时中断当前的任务，转而去执行一段专门处理该事件的程序，处理完毕后再回到原来的位置继续执行主程序。这就好比你在专注地写代码，突然手机铃声响起，你暂停编码，接听电话处理重要事务，通话结束后再回到代码编辑状态，继续未完成的工作。总的来说，中断是一种节约资源的手段，也是提升程序灵活度的工具，与日常生活也很贴近，很好理解。_嵌入式单片机中断https://blog.csdn.net/m0_62710548/article/details/146465808?spm=1001.2014.3001.5501

四、用定时中断写一个 delay()

补充一个常用定时中断做的 delay()

复制代码

#include "stm32f10x.h" // 根据你的STM32型号选择头文件

// 定义一个全局变量作为延时标志位
volatile uint8_t delay_flag = 0;

// 配置 TIM2 定时器
void TIM2_Configuration(uint16_t period_ms) {
    // 1. 使能 TIM2 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 2. 配置 TIM2 的时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    // 假设系统时钟为 72MHz，APB1 时钟为 36MHz
    // 设置预分频系数，将时钟频率降低到 1MHz (36MHz / 36)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 35;
    // 设置自动重装载值，以实现 period_ms 毫秒的定时
    // 例如，period_ms = 1 时，计数 1000 次溢出 (1MHz / 1000 = 1kHz, 周期 1ms)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = period_ms * 1000 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 3. 使能 TIM2 中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 4. 配置 NVIC 中断控制器
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;      // 子优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    // 5. 使能 TIM2 定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// TIM2 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 清除中断标志位
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        // 设置延时标志位
        delay_flag = 1;
    }
}

// 延时函数 (毫秒级)
void delay_ms(uint16_t ms) {
    delay_flag = 0;
    TIM2_Configuration(ms); // 重新配置定时器以实现所需的延时

    // 等待延时标志位被设置
    while (delay_flag == 0);

    // 停止定时器 (可选，如果只需要单次延时)
    TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, DISABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, DISABLE);
}

// 示例：主函数 (包含 GPIO 配置作为演示)
void GPIO_Configuration(void) {
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能 GPIOA 时钟

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;          // 选择 GPIOA 的引脚 0
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    // 设置为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  // 设置传输速度
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);                   // 初始状态设置为高电平
}

int main(void) {
    GPIO_Configuration(); // 配置 GPIO

    while (1) {
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 拉低电平，例如点亮 LED
        delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);   // 拉高电平，例如熄灭 LED
        delay_ms(1000);
    }
}

代码补充说明：

GPIO 配置： 在 main() 函数中，我添加了一个 GPIO_Configuration() 函数作为演示，配置了 GPIOA 的引脚 0 为推挽输出，可以用于连接 LED 等外设，更贴合您提供的链接中实验的做法。
主函数示例： main() 函数中展示了如何使用 delay_ms() 函数来控制 GPIO 引脚的输出状态，实现简单的闪烁效果。
总的来说，当使用 delay_ms() 时，程序会配置一个硬件定时器来计时，并在计时结束后通过中断的方式通知程序，程序会一直等待这个通知的到来，从而实现延时的效果。