【STM32】时钟摘取法

时钟摘取法------毫秒获取微秒延时的方法介绍

前言

在 STM32 开发中，尤其是 带 RTOS（FreeRTOS/UCOS/RT-Thread） 的项目里，SysTick 系统定时器通常被操作系统占用，作为系统时钟节拍源（一般 1ms 中断一次）。

如果我们直接修改 SysTick 配置、关闭中断来实现裸机延时，会直接导致系统时钟紊乱、任务调度异常。而时钟摘取法 就是解决这一问题的最优方案：不修改寄存器、不占用中断、只读计数器实现高精度 us 级延时，兼容操作系统与裸机延时。

一、时钟摘取法

1. 定义

时钟摘取法是仅读取 SysTick 计数器当前值，通过计算计数值差值、累计计时 实现阻塞式高精度延时的方法，整个过程只读不写SysTick 配置寄存器。

2. 核心特点

不修改 SysTick->LOAD、CTRL 等寄存器，不干扰操作系统
不占用中断，不影响系统任务调度
延时精度可达 1us，满足 I2C、SPI、LCD 等外设时序要求
代码轻量、无额外硬件定时器占用

3. 适用场景

RTOS 环境下的高精度微秒级延时
外设驱动严格时序控制
禁止修改系统时钟配置的项目

二、STM32 SysTick 工作原理

时钟摘取法完全依赖 SysTick，必须先牢记它的规则：

24 位递减计数器，最大值 0xFFFFFF
时钟源 = MCU主频（如 72MHz/168MHz等）
工作流程：

LOAD 重装载值→ 自动递减 → 减到 0 → 自动重装回 LOAD 值 → 循环往复
RTOS 中一般配置：LOAD = 主频/1000，实现 1ms 中断一次

以 168MHz 主频为例：

168MHz换算过来，也就是1s运行168000000次，也就是1次消耗1/168000000s，即1/168us一次，1ms则为168000次。

故重装载值LOAD = 168000（1ms 递减完一轮）

三、核心原理

1. 核心逻辑

该方法不直接控制计数器，而是只 "摘取" 时间片段 ，在配置好systick的1ms计数中断后，进行下述步骤实现时钟摘取法获取高精度us延时，即：

延时开始时，记录初始计数值；
循环获取并记录当前计数值；
计算两次读数的差值，其中差值可能是正常相差数值，也可能是出现重装导致的小于前一次值产生的负差值；（正常递减 + 溢出重装两种情况）
累计差值达到目标计数值 → 延时结束。

2. 关键换算公式

1us 对应实际总的计数值（定义全局变量为g_fac_us）：
c 复制代码
```
g_fac_us = 系统主频 / 1000000
```
主频为168MHz，则g_fac_us = 168（原因：1us 需要计数 168 次）；

主频为72MHz，则g_fac_us = 72（原因：1us计数72次）
目标微秒延时需要的计数次数（目标计数值）：
c 复制代码
```
目标计数值 = 延时us数 × g_fac_us
```

3. 两种计数情况（重点理解）

SysTick 是递减计数器，只有两种情况：

正常递减：当前值 < 初始值 → 差值 = 初始值 - 当前值
溢出重装：当前值 > 初始值（计数器减到 0 重装了）→ 差值 = 重装载值 + 初始值 - 当前值

四、一般代码介绍

1. 完整代码（初始化 + 延时函数）

C 复制代码

// 对应主频 1us 对应的 SysTick 实际计数值
static uint32_t g_fac_us = 0;

/**
 * @brief  时钟摘取法初始化
 * @note   必须在系统时钟初始化后调用
 */
void delay_init(void)
{
    // 168MHz 时：g_fac_us = 168
    g_fac_us = SystemCoreClock / 1000000;
}

/**
 * @brief  时钟摘取法 us级延时
 * @param  nus: 要延时的微秒数
 */
void delay_us(uint32_t nus)
{
    uint32_t target_ticks;           // 期望延时需要计数的总数值
    uint32_t t_old = 0;		// 旧值 => 前一次计数器值
    uint32_t t_now = 0;		// 当前计数器的数值
    uint32_t t_cnt = 0;  // 累计计数值 => 从进入循环等待到当前累计经过的数值
    uint32_t reload = SysTick->LOAD; // 获取SysTick重装载值LOAD => 一般为1ms对应的计数值

    // 计算总目标计数值：延时us × 1us对应计数值
    target_ticks = nus * g_fac_us;

    // 记录延时开始时的初始计数值
    t_old = SysTick->VAL;

    // 循环等待计时到达
    while(1)
    {
        // 持续获取并记录当前计数值
        t_now = SysTick->VAL;

        // 时间不断运行，计数器计数值变化
        if(t_now != t_old)  // 使得当前计数器计数值与前面记录的计数值出现差值
        {
            // 场景1-正常递减 => 当前计数器值小于之前记录的计数值
            if(t_now < t_old)
            {
                t_cnt += t_old - t_now;
            }
            // 场景2-计数器溢出，从0重装回LOAD => 当前计数器值大于之前记录的计数值
            else
            {
                t_cnt += reload + t_old - t_now;
            }

            // 更新上一次的计数值
            t_old = t_now;

            // 累计计数值 ≥ 目标值 → 延时完成
            if(t_cnt >= target_ticks)
            {
                break;
            }
        }
    }
}

2. 核心代码重点解析

（1）`reload = SysTick->LOAD`

直接读取系统已配置好的重装载值，不做任何修改
168MHz 系统中，值为 168000（1ms 重装一次）

（2）`target_ticks = nus * g_fac_us`

把 "微秒时间" 转换成 "SysTick 计数值"
例：延时 10us → 10 × 168 = 1680 个计数值

（3）正常递减逻辑（`t_now < t_old`）

c 复制代码

t_cnt += t_old - t_now;

计数器从 1000 → 800
走过计数：1000 - 800 = 200，直接累加

（4）溢出重装逻辑（`t_now > t_old`）

C 复制代码

tcnt += reload + t_old - t_now;

计数器：50 → 0 → 重装 → 167950
走过计数：50（到 0） + 50（重装后递减）= 100
公式计算：168000 - 167950 + 50 = 100，完全准确

五、理解（168MHz 主频为例）

1. 时钟与计数值换算

系统主频：168MHz
1ms 中断所需计数值：168000000 × 0.001 = 168000
1 个计数耗时：1/168 us ≈ 0.006us
1us 对应计数值：168 → g_fac_us = 168

2. 溢出场景模拟理解

模拟简化数值：

reload=168，计数器变化：1 → 0 → 168 → 167

初始值 t_old=1
当前值 t_now=167
计算：168 + 1 - 167 = 2 个计数
真实耗时：2 个计数，对应 2/168 us

六、总结

时钟摘取法本质：只读 SysTick 计数器，累计差值实现延时，不干扰系统
两大关键：正常递减计算、溢出重装计算（代码核心）
最大优势：RTOS 安全、高精度、无资源占用
使用要求 ：SysTick 已启动、g_fac_us 初始化正确

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