TIM 简介 - 技术栈

功能简介

本文以 STM32G0 系列 TIM 外设为例进行说明。TIM（定时器）是一种常用的微控制器外设，其核心模块包括一个 16 位计数器 和相关的 自动重载寄存器（ARR）。

计数器可以实现 向上计数 、向下计数 ，或 上下交替计数 （中心对齐模式）。计数器的时钟可以通过 预分频器 进行分频，以调节计数速度。

TIM 的主要寄存器------计数器、自动重载寄存器和预分频寄存器------都可以被软件读写，即使计数器正在运行，也可以访问这些寄存器进行配置或读取。

相关寄存器

预分频寄存器（TIMx_PSC）

TIMx_PSC（Prescaler Register）用于配置定时器预分频器的分频系数，分频范围为 1 ~ 65536。该寄存器带有 缓冲机制（Shadow Register / Prescaler buffer），写入的新值不会立即生效，而是在特定时机由硬件自动更新。
图片来源：STM32G系列参考手册标题

从 TIM 的功能框图可以看到，预分频器的输入时钟 CK_PSC 经过预分频器分频后，生成输出时钟 CK_CNT，该时钟用于驱动计数器。

CK_CNT 只有在 TIMx_CR1 寄存器中的 CEN 位被置 1 后才会启用，并且在 CEN 置位后的下一个时钟脉冲（1 个 CK_CNT 脉冲），计数器才开始计数。

下图示例演示了预分频器（Prescaler）在线更新的工作过程。
图片来源：STM32G系列参考手册题

CK_PSC 表示预分频器的输入时钟。初始时，预分频器的值为 0，表示不分频。当 CEN 位被置 1 后，经过一个CK_CNT时钟脉冲，预分频器的输出时钟开始工作，其频率与输入时钟一致，计数器随之开始计数。
当计数器计数到 0xF8 时，我们向 TIMx_PSC 寄存器写入一个新值 1（表示 2 分频）。此时，由于预分频器具有缓冲（Prescaler buffer）机制，当前正在工作的分频值仍然保持为 0，输出时钟频率不会立即发生变化。
当计数器继续计数并到达 0xFC（即 ARR 的值）时，产生一次 上溢事件（Overflow Event） ，同时触发 更新事件（Update Event）。在该更新事件中，TIMx_PSC 中的新值被加载到 Prescaler buffer。
从这一刻开始，预分频器的输出时钟频率发生改变：每 2 个输入时钟脉冲，产生 1 个输出时钟脉冲。计数器随后基于新的时钟频率继续计数。

自动重载寄存器（TIMx_ARR）

自动重载寄存器（TIMx_ARR）也带有一个影子寄存器。根据 TIMx_CR1 寄存器中的 ARPE 位（Auto-reload Preload Enable）设置，预装载寄存器（preload register）的内容会永久性或在每次更新事件（UEV, Update Event）时被传送到影子寄存器中。

下图示例演示了自动重载值（Auto-reload value）在线更新的工作过程。
标题图片来源：STM32G系列参考手册题

前面提到，自动重载寄存器（TIMx_ARR）具有影子寄存器（Auto-reload shadow register）机制。当 ARPE 位（Auto-reload preload enable）置位时，写入 TIMx_ARR 的新值并不会立即生效，而是会在更新事件（Update Event）发生时，被加载到影子寄存器中。

在该示例中：

当计数器计数到 0xF1 时，我们将 TIMx_ARR 的值从 0xF5 更新为 0x36；
此时，由于启用了 ARR 预装载（ARPE = 1），影子寄存器中的 ARR 值仍然保持为 0xF5，当前计数周期不受影响；
计数器继续按照旧的 ARR 值运行，并在计数到 0xF5 时产生一次上溢事件（Overflow Event），同时触发更新事件（Update Event）；
在该更新事件中，TIMx_ARR 中的新值（0x36）被加载到影子寄存器；从下一轮计数开始，计数器将以 0x36 作为新的自动重载值，并在计数到 0x36 时才再次产生溢出事件。

计数寄存器 (TIMx_CNT)

计数器记录当前的计数值，由预分频器输出时钟（CK_CNT）驱动。在 向上计数模式 下，当计数器计数到 ARR 值时，下一次计数会回到 0，并产生一次 上溢事件（Overflow Event） 和 更新事件（Update Event） ，同时将 更新中断标志（UIF） 置位。

重复计数器（TIMx_RCR）

重复计数器用于控制更新事件（Update Event）的触发频率。

当 RCR 值为 0 时，每次上溢或下溢事件都会触发一次更新事件。
当 RCR 值非 0 时，计数器需要重复达到上溢/下溢事件指定次数（RCR + 1）后，才会触发一次更新事件。

三种计数模式

向上计数模式

计数器从 0 开始递增计数，当计数到自动重载值（TIMx_ARR 寄存器）时，下一次计数回到 0，并产生一次上溢事件（Overflow Event）和更新事件（Update Event） 。更新事件可以通过TIMx_CR1寄存器的UDIS位禁用。

下图展示了一个示例：ARR = 0x36，预分频器值为 0 的向上计数时序图。
图片来源：STM32G系列参考手册题标题

当计数值到达 ARR 时，会产生 上溢事件（Overflow Event） 和 更新事件（Update Event）。

向下计数模式

计数器从自动重载值（TIMx_ARR）开始递减计数，当计数到 0 时，下一次计数重新加载为自动重载值，并产生一次下溢事件（Underflow Event）。

下图展示了一个示例：ARR = 0x36，向下计数时序。
标图片来源：STM32G系列参考手册题题

当计数值到达 ARR 时，会产生 下溢事件（Underflow Event） 和 更新事件（Update Event） 。

上下交替计数模式

该模式也称为中心对齐模式（Center-aligned mode）。

在上下交替计数模式下，计数器按照以下顺序工作：

从 0 递增计数到自动重载值（TIMx_ARR） − 1，产生一次上溢事件；
然后从自动重载值（TIMx_ARR）递减计数到 1，产生一次下溢事件；
最后返回到 0，并重复上述过程。

下图展示了一个示例：ARR = 0x6的上下交替计数时序。
图片来源：STM32G系列参考手册题标题

当计数值到达 ARR - 1 时，会产生 上溢事件（Overflow Event） 和 更新事件（Update Event）
当计数值到达 1 时，会产生 下溢事件（Underflow Event） 和 更新事件（Update Event）