嵌入式定时器计时技巧：用有符号数省略溢出判断的底层逻辑与实践

目录

前言

一、传统计时的痛点：无符号数的溢出判断难题

[1.1 传统实现代码（以16位定时器为例）](#1.1 传统实现代码（以16位定时器为例）)

[1.2 小痛点](#1.2 小痛点)

二、关键发现：有符号数补码特性解决溢出难题

[2.1 补码与定时器计数的对应关系](#2.1 补码与定时器计数的对应关系)

[2.2 无需溢出判断的核心原理](#2.2 无需溢出判断的核心原理)

场景1：无溢出（计时时长短于溢出周期）

场景2：有溢出（计时跨计数器最大值）

三、实战落地：简化后的计时代码

[3.1 完整代码实现](#3.1 完整代码实现)

[3.2 关键注意事项](#3.2 关键注意事项)

四、特性验证与兼容性说明

[4.1 跨场景结果验证](#4.1 跨场景结果验证)

[4.2 跨平台兼容性](#4.2 跨平台兼容性)

五、总结：技巧的核心价值与适用场景

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前言

在嵌入式开发中，利用硬件定时器计数器测量代码运行时间是高频需求------小到中断响应耗时统计，大到通信时序校准，都离不开精准的计时逻辑。传统实现中，因定时器计数器本质是无符号数，跨溢出周期计时时必须加入显式判断，代码冗余且易出错。而一个实用的底层技巧的能大幅简化逻辑：将计时起始/结束值定义为有符号数，借助补码特性直接省略溢出判断，实现更简洁、高效的计时代码。

一、传统计时的痛点：无符号数的溢出判断难题

嵌入式MCU的硬件定时器计数器（如STM32的TIM系列、51单片机的T0/T1）均为无符号整数类型，16位定时器计数范围为0~65535，32位定时器为0~2³²-1。当计数器从最大值溢出后，会归零重新开始计数，这就导致计时时若跨溢出周期，直接计算"end - start"会得到错误结果。

1.1 传统实现代码（以16位定时器为例）

// 传统方式：需显式判断溢出
uint16_t Measure_RunTime_Traditional(void) {
    uint16_t start = TIM_GetCounter(TIM2); // 读取无符号计数值
    
    // 待计时核心代码段
    for(uint32_t i=0; i<1000; i++);
    
    uint16_t end = TIM_GetCounter(TIM2);
    uint16_t duration;
    
    // 必须判断是否溢出，否则结果错误
    if(end >= start) {
        duration = end - start; // 无溢出，直接相减
    } else {
        duration = 0xFFFF - start + end + 1; // 溢出，补全周期差值
    }
    return duration;
}

1.2 小痛点

这段代码虽能实现功能，但存在两处明显小痛点：一是冗余性与通用性不足，16位与32位定时器的最大计数值不同（0xFFFF vs 0xFFFFFFFF），更换定时器时需手动修改溢出补全公式，维护成本略高；二是条件判断会牺牲部分运行时间，为了应对溢出这一特殊情形，每次计时都要执行分支判断，即便多数场景下无溢出也无法省略。这在高速运行场景中，比如中断响应时间计时，微小的判断耗时可能影响结果准确性，甚至超出场景对时序精度的容忍范围。

二、关键发现：有符号数补码特性解决溢出难题

突破点在于C语言的补码编码规则------这一底层特性让有符号数能"自动处理"定时器的溢出场景，无需额外判断。我们先理清核心逻辑，再用实例验证。

2.1 补码与定时器计数的对应关系

以16位数据为例，无符号数（uint16_t）范围是0~65535，而有符号数（int16_t）范围是-32768~32767，二者通过补码实现数值映射：

• 无符号数65535（0xFFFF）→ 有符号数-1（补码表示）；

• 无符号数65534（0xFFFE）→ 有符号数-2；

• ...以此类推，无符号数32768（0x8000）→ 有符号数-32768。

本质上，有符号数用"负数区间"覆盖了无符号数的后半段（32768~65535），而定时器溢出时的"从65535到0"，对应到有符号数就是"从-1到0"，完全符合补码的溢出逻辑。

2.2 无需溢出判断的核心原理

当我们将定时器的无符号计数值，显式转换为有符号数后，无论是否溢出，直接计算"end - start"都能得到正确的时间差，核心分为两种场景：

场景1：无溢出（计时时长短于溢出周期）

假设16位定时器计数精度为1us，start=100（无符号）→ 100（int16_t），end=200（无符号）→200（int16_t），差值=200-100=100us，结果正确。

场景2：有溢出（计时跨计数器最大值）

start=65500（无符号，接近最大值）→ 转换为int16_t后为-36（因65500=65536-36，补码中对应-36）；end=50（无符号，溢出后归零计数）→50（int16_t）。此时差值=50 - (-36)=86us，与实际计时时长完全一致，补码自动抵消了溢出带来的偏差。

三、实战落地：简化后的计时代码

基于上述原理，我们可重构计时函数，完全删除溢出判断逻辑，代码更简洁、通用性更强。以下以STM32 16位定时器TIM2为例，给出完整实现。

3.1 完整代码实现

#include "stm32f10x.h"

// 定时器初始化（1us计数精度，72MHz主频）
void TIM2_Init(void) {
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 分频后1MHz，1us/计数
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 0xFFFF; // 最大计数值（65535us）
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);
    
    TIM_SetCounter(TIM2, 0);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 启动定时器
}

// 简化版计时函数（无需溢出判断）
int16_t Measure_RunTime_Simplified(void) {
    int16_t start, end;
    // 无符号计数值显式转换为有符号数（核心步骤）
    start = (int16_t)TIM_GetCounter(TIM2);
    
    // -------------------
    // 待计时的核心代码段
    // 示例：模拟微秒级操作
    for(uint32_t i=0; i<1000; i++);
    // -------------------
    
    end = (int16_t)TIM_GetCounter(TIM2);
    return end - start; // 直接相减，补码自动处理溢出
}

// 主函数调用示例
int main(void) {
    TIM2_Init();
    int16_t run_time;
    
    while(1) {
        run_time = Measure_RunTime_Simplified();
        // 输出结果（可通过串口打印，此处省略串口初始化）
        // printf("代码运行耗时：%d us\n", run_time);
    }
}

3.2 关键注意事项

该技巧虽简洁，但存在一个核心限制，需严格遵守否则会导致结果错误：

计时时长不能超过定时器计数范围的一半。对于16位定时器，最大安全计时时长为32767us（int16_t最大值）；对于32位定时器，最大安全时长为2³¹-1（约2147秒）。若超过该范围，差值会超出有符号数表示范围，触发有符号数溢出，结果失效。

补充说明：多数嵌入式计时场景（如中断响应、算法执行耗时）均在微秒级或毫秒级，完全处于32767us的安全范围，因此该技巧的实用性极强。若需测量更长时间，可通过定时器中断累计溢出次数，结合本技巧实现，兼顾简洁性与大范围计时。

四、特性验证与兼容性说明

4.1 跨场景结果验证

测试场景	无符号计数值（start/end）	有符号值（start/end）	计算结果	实际耗时
无溢出（短耗时）	100 / 200	100 / 200	100us	100us
有溢出（跨最大值）	65500 / 50	-36 / 50	86us	86us
临界安全值（32767us）	0 / 32767	0 / 32767	32767us	32767us

4.2 跨平台兼容性

该技巧基于C语言补码规则和定时器硬件特性，与MCU型号、编译器无关：

• MCU兼容性：适用于所有带硬件定时器的嵌入式芯片（STM32、GD32、51单片机、ESP32等）；

• 编译器兼容性：Keil、GCC、IAR等主流嵌入式编译器均支持补码编码，无需额外配置。

五、总结：技巧的核心价值与适用场景

将定时器计时的start/end定义为有符号数，本质是"借用地层补码逻辑简化业务代码"，其核心价值的在于：

1. 精简代码：删除溢出判断分支，减少代码量和潜在bug；

2. 提升精度：避免条件判断带来的微小计时误差，适配高精度场景；

3. 通用可移植：无需根据定时器位数修改逻辑，跨平台复用性强。

适用场景：微秒级/毫秒级代码耗时测量、中断响应时间统计、短时序校准等；不适用场景：超过定时器计数范围一半的长时计时（需结合溢出中断扩展）。

这一细节技巧，既体现了嵌入式开发"软硬件协同"的核心思维，也印证了"吃透底层原理，才能写出更优雅、高效代码"的道理。在实际项目中合理运用，能大幅提升计时逻辑的可靠性与开发效率。