60、嵌入式定时器深度解析：EPIT与GPT

嵌入式定时器深度解析：EPIT与GPT

一、前置基础：定时器的"心跳"------时钟与分频倍频

定时器的本质是"对已知频率的时钟计数"，因此稳定的时钟源 和灵活的频率调节机制（倍频/分频）是定时器精准工作的前提。我们先理清这些核心概念：

1.1 时钟源：晶体振荡器（晶振）

晶振是整个系统时钟的"源头"，其工作原理是：将石英晶体切割成音叉状结构，施加电压后会产生稳定的机械振荡，进而输出频率精准的电信号（如8MHz、24MHz、12MHz）。

特点：频率稳定、误差小，是嵌入式系统最核心的时钟来源；
举例：51单片机常用11.0592MHz晶振，i.MX6ULL开发板常用24MHz晶振（osc_clk）。

1.2 锁相环（PLL）：低频时钟倍频核心

晶振输出的低频信号无法满足CPU/外设的高频需求，此时需要PLL（锁相环）进行倍频：

原理：通过相位锁定机制，将输入的低频时钟信号放大为高频信号（如i.MX6ULL的PLL1可将24MHz的step_clk倍频至1056MHz）；
关键注意点：配置PLL倍频因子前，必须先设置PLL后级的分频（如二分频），否则会导致ARM内核因超频而故障！

1.3 分频器（Prescale/PODF）：高频时钟降频适配

PLL输出的高频时钟需要分频后，才能适配不同外设的工作频率：

原理：将高频时钟信号按固定比例降低（如除法运算）；
i.MX6ULL实战配置举例：
- AHB_CLK_ROOT（132MHz）：通过CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]选择时钟源、CBCDR[PERIPH_CLK_SEL]切换路径、CBCDR[AHB_PODF]设置分频；
- IPG_CLK_ROOT（66MHz）：通过CBCDR[IPG_PODF]分频得到；
- PERCLK_CLK_ROOT（66MHz）：通过CSCMR1[PERCLK_CLK_SEL]选源、CSCMR1[PERCLK_PODF]分频。

1.4 相位分数分频器（PFD）：灵活升降频

PFD是比普通分频器更灵活的频率调节模块，支持输出频率"升频"或"降频"，主要用于i.MX6ULL的528PLL（CCM_ANALOG_PFD_528n）和480PLL（CCM_ANALOG_PFD_480n），适配不同外设的时钟需求。

易混淆单位说明

频率计算：1MHz = 1000×1000 Hz（定时器计数、时钟频率常用）；
存储计算：1MByte = 1024×1024 Byte（内存/Flash容量计算用）。

二、51单片机定时器：基础8/16位定时器实战

51单片机的Timer1、Timer2是入门级定时器，核心分为"8位自动重装"和"16位手动重装"两种模式，我们以最常用的16位定时器为例，讲解原理与实战。

2.1 51定时器核心原理

计数对象：对"机器周期"计数（机器周期 = 12 / 晶振频率，如11.0592MHz晶振的机器周期≈1.085μs）；
8位自动重装：计数器溢出后，自动从预设的重装寄存器加载初值，无需手动干预；
16位手动重装：计数器溢出后，需在中断服务函数中手动重置THx/TLx初值，否则下次计数从0开始。

2.2 实战：1s中断反转LED（Timer0为例）

需求

基于51单片机Timer0（16位模式）实现1s定时中断，中断服务函数中反转LED灯状态。

硬件环境

晶振：11.0592MHz；
LED：接P1.0引脚，低电平点亮。

代码实现

c 复制代码

#include <reg51.h>

// 定义LED引脚
sbit LED = P1^0;
// 定义中断计数变量（50ms×20=1000ms）
unsigned char cnt = 0;

/**
 * @brief 定时器0初始化：配置16位模式，定时50ms
 */
void Timer0_Init(void)
{
    // 1. 配置定时器模式：TMOD=0x01（Timer0，16位定时器，仅对机器周期计数）
    TMOD &= 0xF0;  // 清空Timer0模式位
    TMOD |= 0x01;  

    // 2. 设置计数初值：11.0592MHz晶振，机器周期≈1.085μs，50ms需要计数46080次
    // 16位计数器最大值65536，初值=65536 - 46080 = 19456 = 0x4C00
    TH0 = 0x4C;    // 高8位
    TL0 = 0x00;    // 低8位

    // 3. 使能定时器0中断、总中断
    ET0 = 1;       // 使能Timer0中断
    EA  = 1;       // 使能总中断

    // 4. 启动定时器0
    TR0 = 1;
}

/**
 * @brief 定时器0中断服务函数
 */
void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    // 手动重装初值（16位模式无自动重装，溢出后需重置）
    TH0 = 0x4C;
    TL0 = 0x00;

    // 计数20次 = 50ms×20 = 1000ms
    cnt++;
    if(cnt >= 20)
    {
        cnt = 0;
        LED = ~LED;  // 反转LED状态
    }
}

void main(void)
{
    Timer0_Init();  // 初始化定时器
    while(1);       // 主循环空等，依赖中断处理
}

代码解析

模式配置：TMOD=0x01 设定Timer0为16位定时器，仅对机器周期计数（非外部脉冲计数）；
初值计算：11.0592MHz晶振下，50ms需要计数50ms / 1.085μs ≈ 46080次，因此初值=65536-46080=0x4C00；
中断机制：ET0=1开启Timer0中断，EA=1开启总中断，溢出后进入interrupt 1（Timer0中断向量）；
1s实现：单次定时50ms，通过cnt计数20次叠加为1s，达到后反转LED。

三、i.MX6ULL定时器：EPIT与GPT实战

i.MX6ULL作为工业级ARM Cortex-A7芯片，提供了功能更强的EPIT（增强型周期中断定时器）和GPT（通用目的定时器），远超51单片机的基础定时器。

3.1 EPIT（Enhanced Periodic Interrupt Timer）：增强型周期中断定时器

EPIT专为"周期中断"设计，核心优势是自动重装计数初值 、精准周期定时，无需像51 16位定时器那样手动重装初值，适用于LED翻转、定时数据采集等场景。

EPIT核心原理

时钟源：默认使用IPG_CLK_ROOT（66MHz），可分频后使用；
计数模式：向下计数，从预设的加载值（LR寄存器）递减到0，触发中断后自动重装LR值，循环计数；
1s中断计算：若EPIT输入时钟为1MHz（66MHz分频66倍），则计数1000000次（1MHz）可实现1s定时。

实战：1s中断反转LED

硬件环境

i.MX6ULL开发板，LED接GPIO1_IO03；
EPIT时钟源：IPG_CLK_ROOT（66MHz）。

代码实现（基于裸机驱动）

c 复制代码

#include "imx6ull.h"

// LED初始化：GPIO1_IO03输出
void LED_Init(void)
{
    // 1. 使能GPIO1时钟
    CCM->CCGR1 |= (3 << 26);  // CG13 (GPIO1) = 11

    // 2. 设置GPIO1_IO03为通用输出
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x10B0);

    // 3. 设置GPIO方向为输出，初始熄灭
    GPIO1->GDIR |= (1 << 3);
    GPIO1->DR |= (1 << 3);
}

// LED状态反转
void LED_Toggle(void)
{
    GPIO1->DR ^= (1 << 3);
}

/**
 * @brief EPIT初始化：1s周期中断
 */
void EPIT_Init(void)
{
    // 1. 使能EPIT1时钟（IPG_CLK_ROOT=66MHz）
    CCM->CCGR1 |= (3 << 20);  // CG10 (EPIT1) = 11

    // 2. 复位EPIT1
    EPIT1->CR = (1 << 1);     // SWR=1，复位
    while(EPIT1->CR & (1 << 1));  // 等待复位完成

    // 3. 配置EPIT1_CR寄存器
    EPIT1->CR = 0;
    EPIT1->CR |= (1 << 24);   // CLKSRC=1：选择IPG_CLK_ROOT（66MHz）
    EPIT1->CR |= (65 << 4);   // PRESCALAR=65：分频66倍（65+1），输入时钟=66MHz/66=1MHz
    EPIT1->CR |= (1 << 3);    // RLDPD=1：休眠时继续工作
    EPIT1->CR |= (1 << 2);    // IOVW=1：覆盖计数器值
    EPIT1->CR |= (1 << 1);    // ENMOD=1：计数器重载LR值
    EPIT1->CR |= (1 << 0);    // EN=0（先关闭，配置完LR再开启）

    // 4. 设置加载值LR：1MHz时钟，1s需要计数1000000次
    EPIT1->LR = 1000000;

    // 5. 设置比较值CMPR：0（计数到0触发中断）
    EPIT1->CMPR = 0;

    // 6. 配置中断：使能EPIT1中断，设置优先级
    GIC_EnableIRQ(EPIT1_IRQn);                    // 使能GIC中EPIT1中断
    system_register_irqhandler(EPIT1_IRQn, (system_irq_handler_t)EPIT1_IRQHandler, NULL);  // 注册中断服务函数

    // 7. 开启EPIT1
    EPIT1->CR |= (1 << 0);
}

/**
 * @brief EPIT1中断服务函数
 */
void EPIT1_IRQHandler(void)
{
    if(EPIT1->SR & (1 << 0))  // 判断中断标志位（IFLAG=1）
    {
        LED_Toggle();         // 反转LED
        EPIT1->SR |= (1 << 0); // 清除中断标志位
    }
}

int main(void)
{
    LED_Init();   // LED初始化
    EPIT_Init();  // EPIT初始化

    while(1);     // 主循环空等
    return 0;
}

代码解析

时钟配置：CCM->CCGR1使能EPIT1时钟，CR寄存器选择IPG_CLK_ROOT（66MHz）并分频66倍，得到1MHz的计数时钟；
计数配置：LR=1000000设置1s计数阈值，ENMOD=1开启自动重装，计数到0后自动重新加载LR值；
中断处理：中断标志位SR[IFLAG]触发后，反转LED并清除标志位，保证下一次中断正常触发。

3.2 GPT（General Purpose Timer）：通用目的定时器

GPT是功能更丰富的定时器，支持自由运行模式 、输入捕获 、比较输出，其中"自由运行模式"最适合编写精准延时函数。

GPT核心原理（自由运行模式）

自由运行模式：计数器从0开始递增，溢出后自动从0重新开始，无停止；
延时实现逻辑：记录延时开始时的计数值start，循环读取当前计数值current，当current - start达到"延时所需计数值"时，结束延时。

实战：自由运行模式编写精准延时函数

需求

基于GPT自由运行模式，实现GPT_DelayUs(uint32_t us)（微秒级延时）和GPT_DelayMs(uint32_t ms)（毫秒级延时）。

代码实现

c 复制代码

#include "imx6ull.h"

/**
 * @brief GPT初始化：自由运行模式，时钟源为IPG_CLK_ROOT(66MHz)
 */
void GPT_Init(void)
{
    // 1. 使能GPT1时钟
    CCM->CCGR1 |= (3 << 18);  // CG9 (GPT1) = 11

    // 2. 复位GPT1
    GPT1->CR = (1 << 15);     // SWR=1，复位
    while(GPT1->CR & (1 << 15));  // 等待复位完成

    // 3. 配置GPT1_CR寄存器
    GPT1->CR = 0;
    GPT1->CR |= (1 << 1);     // CLKSRC=1：选择IPG_CLK_ROOT（66MHz）
    GPT1->CR &= ~(1 << 0);    // FRR=0：自由运行模式（计数器递增，溢出后重置为0）
    GPT1->CR &= ~(1 << 2);    // CLKEN=0：先关闭，配置完再开启

    // 4. 配置GPT1_PR：分频系数（66分频，得到1MHz时钟，1us=1次计数）
    GPT1->PR = 65;  // 分频66倍（65+1），66MHz/66=1MHz

    // 5. 开启GPT1
    GPT1->CR |= (1 << 2);
}

/**
 * @brief GPT微秒级延时
 * @param us 延时微秒数（范围：0~4294967295）
 */
void GPT_DelayUs(uint32_t us)
{
    uint64_t start = GPT1->CNT;  // 记录开始计数值
    uint64_t target = start + us; // 目标计数值（1MHz=1us/次）

    // 处理计数器溢出（GPT1是32位计数器，最大值0xFFFFFFFF）
    if(target > 0xFFFFFFFF)
    {
        // 先等待计数器溢出到0
        while(GPT1->CNT < start);
        // 再等待计数器达到 target - 0xFFFFFFFF - 1
        while(GPT1->CNT < (target - 0xFFFFFFFF - 1));
    }
    else
    {
        // 直接等待计数器达到目标值
        while(GPT1->CNT < target);
    }
}

/**
 * @brief GPT毫秒级延时
 * @param ms 延时毫秒数（范围：0~4294967295）
 */
void GPT_DelayMs(uint32_t ms)
{
    for(uint32_t i=0; i<ms; i++)
    {
        GPT_DelayUs(1000);  // 1ms=1000us
    }
}

// 测试：LED闪烁（延时1s）
void LED_Init(void)
{
    CCM->CCGR1 |= (3 << 26);
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x10B0);
    GPIO1->GDIR |= (1 << 3);
    GPIO1->DR |= (1 << 3);
}

int main(void)
{
    LED_Init();   // LED初始化
    GPT_Init();   // GPT初始化

    while(1)
    {
        GPIO1->DR &= ~(1 << 3);  // LED点亮
        GPT_DelayMs(1000);       // 延时1s
        GPIO1->DR |= (1 << 3);   // LED熄灭
        GPT_DelayMs(1000);       // 延时1s
    }
    return 0;
}

代码解析

时钟配置：GPT1选择IPG_CLK_ROOT（66MHz），分频66倍后得到1MHz时钟（1us/次计数），保证微秒级延时的精准性；
自由运行模式：FRR=0开启自由运行，计数器从0递增，溢出后自动重置为0；
延时逻辑：
- 微秒延时：记录起始计数值，计算目标计数值（起始值+延时微秒数），等待计数器达到目标值；
- 溢出处理：32位计数器最大值为0xFFFFFFFF（约4294秒），若目标值超过该值，先等待溢出，再继续计数；
- 毫秒延时：循环调用微秒延时函数，1ms=1000us。

四、总结与拓展

4.1 不同平台定时器对比

特性	51单片机定时器	i.MX6ULL EPIT	i.MX6ULL GPT
核心用途	基础定时/中断	周期中断（如LED翻转）	精准延时、输入捕获、比较输出
计数模式	8/16位手动/自动重装	向下计数+自动重装	自由运行（向上计数）
时钟灵活性	仅机器周期/外部脉冲	系统时钟分频	多时钟源+分频
功能丰富度	简单	专注中断	全功能（捕获/输出/延时）

4.2 实战注意事项

时钟配置是前提：PLL/分频器配置错误会导致定时器计数不准，甚至系统崩溃；
中断处理要简洁：EPIT中断服务函数中避免耗时操作，否则会影响定时精度；
初值计算要精准：根据时钟频率和定时需求，准确计算分频系数和计数初值。

4.3 拓展方向

GPT输入捕获：测量外部脉冲的宽度/周期（如按键防抖、超声波测距）；
GPT比较输出：生成PWM波（如电机调速、LED呼吸灯）；
EPIT多任务调度：基于EPIT中断实现简单的任务调度器，管理多个定时任务。