STM32——TIM定时器、定时中断、RCC时序（八）

一、TIM简介

TIM（Timer）定时器

定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断

16位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元，在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时

不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能

根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型

注：总定时 = 所有 (PSC+1) 乘一起 × 所有 (ARR+1) 乘一起 ÷ 输入时钟频率（单级 / 级联都适用）的核心简化算法，记死这个逻辑，不管几级级联、要不要开预分频，直接套公式就行，不用再分步绕弯！

二、定时器分类

TIM1~8，一头一尾是高级，25通用，6、7基本。高级含低级的功能。

不同型号的定时器的资源不同，使用定时器之前要查资料。

1、基本定时器

时钟输入与预分频

• 来自 RCC 的 TIMxCLK：这是定时器的最顶层时钟，由芯片的时钟树（RCC）提供，比如常见的 72MHz。

• 预分频器（PSC） ：对输入时钟进行分频，分频系数为 PSC+1，输出分频后的计数时钟 CK_CNT。

计数与自动重装

• CNT 计数器 ：在 CK_CNT 驱动下递增计数，当计数值达到自动重装寄存器（ARR）的值时，触发更新事件（U）。

• 自动重装寄存器（ARR）：存储计数器的最大值，当计数器溢出时，会自动从这个寄存器加载数值，开始新一轮计数。

触发控制器

• 这是基本定时器的一个特色模块，它可以把定时器的更新事件（U）输出为触发信号 TRGO，专门用来触发 DAC 进行同步转换。

• 除此之外，触发控制器还负责控制计数器的复位、使能等操作。

注：基本定时器的时钟源只能来自内部时钟，计数方式只能向上计数。

2、通用计时器

通用定时器（TIM2~TIM5）就是 STM32 里的 "全能选手"，比基本定时器多了 4 个通道，能定时、能测信号、能发 PWM，还能跟其他定时器联动，框图看着复杂，其实就分 4 块核心逻辑，一眼就能看懂。

一、时钟从哪来？（3 个 "心跳" 选项）

定时器要干活，得先有时钟，它有 3 种找 "心跳" 的方式：

1. 内部时钟（最常用）：直接用芯片内部的 72MHz 时钟（由 RCC 分配），是定时、PWM 的默认选择；

2. 外部时钟（ ETR 引脚）：接外部硬件的脉冲信号，比如其他芯片的时钟，能用来测外部信号的快慢；

3. 其他定时器触发（ ITR ）：吃 "兄弟定时器" 的输出信号，比如 TIM1 溢出了，就给 TIM2 发个信号，这就是之前说的 "级联定时" 的硬件基础。

二、核心计数逻辑（定时器的 "大脑"）

不管时钟从哪来，最终都要经过这 3 步，才能算出 "时间"：

1. 预分频器（ PSC ）：把时钟 "放慢"，比如 72MHz 太快，就除以 1000，让计数器走得慢一点；

2. 计数器（ CNT ）：按放慢后的时钟数数，能往上数、往下数，还能来回数（中心对齐）；

3. 自动重装（ ARR ）：计数器数到这个数就 "清零重来"，同时触发一个 "更新事件"，相当于闹钟响了。

三、4 个通道能干啥？（核心 "技能包"）

这是通用定时器最关键的部分，4 个通道（CH1~CH4）就是 4 个 "干活的手"，主要干 3 件事：

1. 输入捕获：盯着外部引脚，比如引脚电平跳变了，就立刻记下当前计数器的数，能测信号的周期、占空比（比如测超声波的回响时间）；

2. 输出比较：计数器数到预设值，就控制引脚电平翻转 / 置位 / 复位，能生成精准的方波；

3. PWM 生成：输出比较的 "特殊模式"，能持续输出高低电平交替的信号，用来控制电机转速、灯的亮度。

另外，通道信号还能接编码器接口，直接连电机的编码器，自动统计电机转了多少圈、转得快不快。

四、跟其他设备联动（"互联枢纽"）

定时器不是孤立的，它有两个关键 "接口"，能跟其他外设联动：

1. TRGO 输出：把定时器的 "闹钟信号" 发给其他定时器、ADC 或 DAC，比如让 ADC 定时采样，不用 CPU 插手；

2. TRGI 输入：接收外部信号，控制自己的计数器（比如复位、开始数数），这也是级联时，从定时器 "听" 主定时器指挥的关键。

五、一句话总结

通用定时器就是 "可变速的计数器"+"4 个多功能通道"+"设备联动接口"，基本定时器能做的它都能做，还能测信号、发 PWM、连电机，是 STM32 里最常用的定时器。

3、高级计时器

高级控制定时器（TIM1/TIM8）就是通用定时器的 "加强版"，专为电机控制、功率变换这类需要精准控制和安全保护的场景设计。

一、核心升级点：比通用定时器多了啥？

1. 互补输出与死区插入 它的 4 个主通道（CH1~CH4）都配有互补通道（CH1N~CH4N），能同时输出一对相位相反的驱动信号，比如控制半桥电路的上下管。死区发生器（DTG）会在两路信号之间插入一小段 "空白时间"，防止上下管同时导通烧硬件，这是电机驱动里的必备安全机制。

2. 重复计数器与刹车功能

   • 重复计数器：可以让计数器溢出多次才触发一次更新事件，方便生成多脉冲序列或延长定时周期。

   • 刹车输入（BKIN）：这是一个硬件安全引脚，一旦检测到刹车信号，所有通道输出会立即被强制置为安全电平，防止电机失控，适合工业场景。

3. **时钟安全系统（CSS）**如果定时器的输入时钟出现故障，会自动触发刹车动作，这是工业级设备的可靠性保障。

二、基础功能和通用定时器一样

• 时钟源、预分频、计数模式、输入捕获、PWM 生成这些基础能力，和通用定时器完全一致。

• 同样支持编码器接口和定时器级联。

三、一句话总结

高级控制定时器 = 通用定时器 + 互补 PWM 输出 + 死区控制 + 硬件刹车保护，是为工业电机、开关电源等功率控制场景量身打造的 "安全型定时器"。

三、定时中断

基本结构

先选时钟源（黄色模块）

定时器要工作，首先得挑一个 "心跳" 来源，有 4 种可选：

1. 内部时钟：最常用，直接用芯片 RCC 提供的系统时钟。

2. 外部时钟（ETR 引脚）：从 GPIO 接外部脉冲信号，用来同步外部硬件。

3. 其他定时器触发（ITRx）：接收其他定时器的输出信号，实现级联定时。

4. 捕获通道（TIx）：从 GPIO 接编码器或其他脉冲信号，一般用在编码器模式里。

选好后，就进入对应的模式，比如内部时钟模式、编码器模式等。

时基单元（粉色模块）

这是定时器的 "计时核心"，就像一个带分频的秒表：

1. 预分频器（PSC）：把输入的时钟 "放慢"，比如 72MHz 的时钟可以分频成 1kHz，让计数器走得更慢，定时更长。

2. 计数器（CNT）：按放慢后的时钟数数，从 0 开始往上走。

3. 自动重装器（ARR）：计数器数到这个数就自动清零，重新开始，并触发一个 "更新事件"，相当于闹钟响了。

运行控制和中断输出

• 运行控制：负责启停计数器、复位计数器等操作，是定时器的 "开关"。

• 中断输出控制：当计数器溢出（闹钟响）时，就向 NVIC（中断控制器）发送中断请求，让 CPU 来处理这个定时事件。

预分频器时序

初始状态（PSC=0，分频系数 = 1）

• 预分频控制寄存器、缓冲器、计数器均为 0，分频系数 = PSC+1=1 ，因此CK_CNT与CK_PSC频率相同。

• 计数器使能（CNT_EN 变高）后，计数器从 F7 开始递增（FA→FB→FC），按CK_CNT节奏计数。

软件写入新 PSC 值（PSC=1）

• 软件向 TIMx_PSC 寄存器写入 1（对应分频系数 = 2），此时预分频控制寄存器立即更新为 1 ，但缓冲器仍保持 0，预分频计数器也继续按 0 工作 ------ 这就是 "缓冲机制"，避免运行时修改参数导致计数时钟突变。

更新事件（UEV）触发，新 PSC 值生效

• 计数器计数到 FC 后溢出，触发更新事件（UEV）。

• 同步动作：预分频缓冲器将暂存的 1 同步到预分频计数器，预分频计数器开始按 1 工作（计数 0→1 循环）。

• 时钟变化：CK_CNT频率变为CK_PSC / 2，即每 2 个 CK_PSC 脉冲，才输出 1 个 CK_CNT 脉冲（图中 CK_CNT 脉冲间隔变大）。

新参数下的计数逻辑

• 计数器溢出后清零为 00，按新的CK_CNT节奏重新递增（00→01→02→03），计数速度因分频系数变大而变慢。

计数器时序

时钟分频与计数使能（准备阶段）

• 分频逻辑 ：内部时钟CK_INT分频因子为 2，意味着每 2 个 CK_INT 脉冲，才会输出 1 个 CK_CNT 脉冲（图中 CK_CNT 的周期是 CK_INT 的 2 倍）。

• 使能触发 ：CNT_EN由低变高，计数器立即响应使能，但需等待第一个CK_CNT脉冲到来才开始计数（硬件同步机制）。

正常计数阶段（计数到溢出前）

• 计数器从当前值（图中 0034）开始，每来 1 个 CK_CNT 脉冲，计数值 + 1，依次递增至 0035、0036（此为该配置下的计数器最大值，由 ARR 决定）。

• 此阶段CK_INT持续输出脉冲，但CK_CNT仅在每 2 个 CK_INT 脉冲时输出 1 个，计数器严格按CK_CNT节奏计数，体现了分频对计数速度的控制。

溢出与更新事件触发（核心节点）

• 计数器溢出 ：当计数值从 0036 递增到下一个CK_CNT脉冲时，计数器无法继续递增，瞬间清零为 0000，同时触发 "计数器溢出" 信号。

• 更新事件（UEV）：与 "计数器溢出" 同步触发，是定时器的核心同步信号，标志着一次完整的计数周期结束。

• 中断标志置位 ：更新事件触发后，更新中断标志（UIF）立即置位（高电平），若提前开启了定时器更新中断，此时会向 NVIC 发送中断请求，通知 CPU 处理。

溢出后重新计数（循环阶段）

• 计数器清零为 0000 后，继续按CK_CNT的节奏递增（0000→0001→0002→0003），进入下一个计数周期，实现周期性定时。

计数器无预装时序

初始计数阶段（ARR=FF，未修改）

• CNT_EN 置高，计数器按 CK_CNT 节奏从 31 开始递增（31→32→33→34→35→36）。

• 此时 TIMx_ARR 寄存器值为 FF，理论上计数器需计数到 FF 才会溢出；但软件在计数至 36 前写入了新 ARR 值 36，触发关键变化。

ARR 新值 "立即生效"（ARPE=0 的核心表现）

• 软件向 TIMx_ARR 写入 36 的瞬间，自动加载寄存器值从 FF 直接变为 36（无缓冲，立即覆盖）。

• 此时计数器正计数到 36，新 ARR 值 36 与当前计数值相等，触发计数器溢出条件。

溢出与更新事件触发（同步节点）

• 计数器计数值达到新 ARR 值 36，立即溢出并清零为 00，同时触发 "计数器溢出" 信号。

• 与溢出同步，更新事件（UEV）触发，更新中断标志（UIF）置位（若开启中断，将向 NVIC 发请求）。

• 此过程体现了 ARPE=0 时的特性：ARR 修改后，当前计数周期就会按新值执行，无需等待下一个周期。

溢出后循环计数

• 计数器清零为 00 后，按 CK_CNT 继续递增（00→01→02→03→04→05→06→07），进入以新 ARR=36 为阈值的下一个计数周期。

计数器有预装时序

软件写入 ARR 新值（缓冲暂存）

• 计数器计数至 F1~F2 阶段时，软件向 TIMx_ARR 写入新值36；

• 关键表现 ：预装载寄存器立即更新为 36，但影子寄存器仍保持 F5 不变（缓冲机制），计数器继续按影子寄存器的 F5 作为溢出阈值计数。

完成当前计数周期（不受新值影响）

• 计数器按 CK_CNT 节奏继续递增，依次经过 F3、F4、F5，达到影子寄存器的 F5 值；

• 此过程中，新 ARR 值 36 仅存于预装载寄存器，未影响当前计数周期，保证了时序的连续性。

溢出触发更新事件（参数同步核心节点）

• 计数器计数值达到 F5，立即溢出并清零为 00，同时触发 "计数器溢出" 信号；

• 同步触发更新事件（UEV） ，此时预装载寄存器的 36 会同步写入影子寄存器，影子寄存器值从 F5 更新为 36；

• 与 UEV 同步，更新中断标志（UIF）置位（需手动清零，否则重复触发中断）。

新周期按新 ARR 值计数

• 计数器清零为 00 后，进入下一个计数周期，按 CK_CNT 递增（00→01→02→03→04→05→06→07）；

• 此周期的溢出阈值变为 36（影子寄存器新值），实现了 "当前周期结束后，新参数无缝生效"。

四、RCC时钟树

这张图是 STM32F103 的时钟树，核心作用是把不同时钟源，通过倍频、分频精准分配给 CPU 和所有外设，是理解定时器、串口等外设时钟来源的关键。

一、四大时钟源头（所有时钟的 "根"）

时钟树的起点是四个独立时钟源，各有定位，没有表格也能清晰区分：

1. HSI（高速内部时钟）：频率 8MHz，是芯片内部的 RC 振荡器，启动速度极快，但精度一般。芯片刚上电时会默认使用它，也能作为应急备用时钟。

2. HSE（高速外部时钟）：频率范围 4~16MHz，常用 8MHz，需要外接晶振，精度高但启动稍慢。是芯片正常运行的主力时钟，尤其适合需要精准定时、串口通信的场景。

3. LSI（低速内部时钟）：频率 40kHz，内部 RC 振荡器，精度低，专门给独立看门狗（IWDG）使用，不影响主系统运行。

4. LSE（低速外部时钟）：频率 32.768kHz，外接小晶振，专门给 RTC（实时时钟）提供时钟，保证时间计时精准。

二、核心处理单元（时钟的 "加工厂"）

时钟源出来后，会经过 PLL 和三级总线分频器处理，才能分配给各个部件，这是时钟树的核心逻辑：

1. PLL（锁相环）：负责倍频

PLL 是 "倍频神器"，能把低速时钟放大到系统需要的高速时钟。它的输入可以选择 HSI 二分频后的 4MHz，也可以选择 HSE 的原始频率（比如 8MHz）。通过 PLLMUL 配置倍频系数（2~16 倍），最经典的配置是 HSE 8MHz 乘以 9，得到 72MHz 的 PLLCLK，这是 STM32F103 能支持的最大系统时钟。最后通过 SW 开关，把 PLLCLK 选为系统核心时钟 SYSCLK。

2. 三级总线分频（AHB、APB1、APB2）：负责精准分配

72MHz 的 SYSCLK 出来后，会进入 AHB、APB1、APB2 三级总线，每级总线都有分频器，且有明确的最大频率限制：

• AHB 总线：最大频率 72MHz，分频系数可选 1、2、4 等，通常设为 1 不分频，直接输出 72MHz。它给 CPU 内核、存储器、DMA 这些核心部件供时钟，是速度最快的总线。

• APB1 总线：最大频率 36MHz，属于低速外设总线，分频系数可选 1、2、4 等，通常设为 2 分频，得到 36MHz。定时器 2-7、串口 2/3、I2C 等低速外设都挂载在这条总线上。

• APB2 总线：最大频率 72MHz，属于高速外设总线，分频系数可选 1、2、4 等，通常设为 1 不分频，输出 72MHz。定时器 1/8、GPIO、串口 1、ADC 等高速外设都挂载在这条总线上。

三、定时器时钟的 "特殊规则"

最容易混淆的就是定时器时钟计算，它不直接等于所在 APB 总线的时钟，而是有 2 倍频补偿机制：

1. 核心规则：如果 APB 总线的预分频器设置为 1（不分频），那么定时器时钟就等于该 APB 总线的时钟；如果 APB 预分频器设置为 2、4 等（分频），那么定时器时钟会是 APB 总线时钟的 2 倍。

2. 实战计算：APB1 通常设为 2 分频，输出 36MHz，挂载的定时器 2-7 时钟就是 36MHz×2=72MHz；APB2 通常设为 1 分频，输出 72MHz，挂载的定时器 1/8 时钟就是 72MHz×1=72MHz。这也是之前计算定时时间时，始终用 72MHz 作为定时器输入时钟的原因。

四、其他关键外设时钟分配

除了定时器，几个常用外设的时钟分配也有明确规则：

1. ADC：最大只能运行在 14MHz 以下，它的时钟由 APB2 的 72MHz 经过 ADC 预分频器处理，常用 6 分频，得到 12MHz，既满足精度要求，又留有余量。

2. USB：必须使用 48MHz 时钟，由 72MHz 的 PLLCLK 经过 USB 预分频器（1.5 分频）得到，刚好是 48MHz，适配 USB 通信的时钟要求。

3. RTC：由 LSE 的 32.768kHz 经过 128 分频后提供时钟，专门用于实时时间计数。

五、经典时钟配置流程

1. 起振：先打开 HSE 高速外部晶振（8MHz）；

2. 倍频：PLL 输入选择 HSE，倍频系数设为 9，得到 72MHz 的 PLLCLK；

3. 选主：将系统时钟 SYSCLK 切换为 PLLCLK，让 CPU 跑在 72MHz；

4. 分频：AHB 设为 1 分频，APB1 设为 2 分频，APB2 设为 1 分频；

5. 结果：CPU 和所有定时器都跑在 72MHz，串口、ADC 等外设按各自分频规则获得合适时钟，系统正常运行。

六、实战避坑指南

1. 不要超频：STM32F103 的 SYSCLK 最大只能到 72MHz，超过这个频率会导致芯片死机；

2. APB1 限速：挂载在 APB1 上的外设，时钟绝对不能超过 36MHz，否则会损坏外设；

3. 定时器时钟：务必记住 "APB 分频非 1 则 ×2" 的规则，否则定时时间会计算错误；

4. ADC 分频：必须保证 ADCCLK 不超过 14MHz，否则会影响模数转换的精度。