本文是一篇系统的 STM32 定时器（TIM）学习笔记：前半部分讲透定时器的整体架构（时基单元/PSC/CNT/ARR/影子寄存器）、输入捕获与输出比较的原理，后半部分用 CubeMX + HAL 库完成四个实战（定时中断点灯 → PWM 呼吸灯 → 舵机控制 → 输入捕获测频率占空比），最后附 HAL 函数速查表、FAQ 和面试考点。
适合：单片机/嵌入式入门同学，以及需要快速复习定时器知识点应付笔试面试的同学。
阅读路线
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赶时间直接上手 → 看 第七章 四个实战；
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面试/考试抱佛脚 → 看 第九章速查表 + FAQ；
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想真正理解 → 从头读，重点吃透第二、五章。
一、先认识一下：STM32 的定时器家族
STM32F103 里有 8 个定时器（TIM1~TIM8），按能力分三类。很多人学定时器一上来就扎进寄存器细节，结果越学越晕------先分清家族成员，再决定用谁：
| 基本定时器 TIM6/7 | 通用定时器 TIM2~5 | 高级定时器 TIM1/8 | |
|---|---|---|---|
| 计数模式 | 只有向上 | 向上/向下/中央对齐 | 同通用 |
| 通道 | 无 | 4 个（CH1~CH4） | 4 个 + 互补输出 |
| 特色功能 | 触发 DAC | 输入捕获、PWM、编码器接口 | 重复计数器、死区、刹车 |
| 挂载总线 | APB1 | APB1 | APB2 |
| 一句话定位 | 硬件节拍器 | 多面手，本文主角 | 电机/电源玩家 |
📌 本文的三条主线：① 定时（时基单元）② PWM（输出比较通道）③ 输入捕获（输入通道）。它们共用同一个时基单元，学会时基就等于学会了 70%。
二、庖丁解牛：定时器架构与时基单元
2.1 整体结构图
看图记住两件事：
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上半部分是"时基单元"（所有定时器都有）：时钟源 → PSC 预分频 → CNT 计数器 → ARR 自动重装载 → 溢出产生更新事件（UEV）；
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下半部分是"四个通道"（通用/高级定时器才有）：都是围绕着 CCR1~CCR4（捕获/比较寄存器）在工作------
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输入方向：GPIO 边沿时刻 → 把 CNT 值锁存 进 CCR（输入捕获）；
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输出方向：CNT 与 CCR 比较 → 相等时驱动 GPIO（输出比较 / PWM）。
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⚠️ 每个通道的 GPIO 和 CCR 是复用的，所以同一时刻一个通道只能在"输入捕获"和"输出比较/PWM"中二选一。
2.2 时钟从哪来：一个经典坑
时钟源有四路：内部时钟 CK_INT（最常用）、ETR 外部引脚、其他定时器 ITRx（级联）、TI1 捕获通道。
用内部时钟时有个经典大坑（CSDN 上被问烂的）：
当 APB 预分频系数 = 1 时，定时器时钟 = APB 时钟；当 APB 预分频系数 ≠ 1 时，定时器时钟 = APB 时钟 × 2。
STM32F103 标准配置下 APB1 = 36MHz（分频系数 2），所以挂在 APB1 上的 TIM2~7，时钟实际上是 36 × 2 = 72MHz。这就是为什么几乎所有教程开头就说"定时器时钟是 72MHz"。
2.3 PSC / CNT / ARR 三大件
三个寄存器决定了定时器的一切节奏：
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PSC（预分频器） ：把时钟频率除以 (PSC+1)，得到 CNT 的计数频率；
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CNT（计数器）：真正数数的家伙，16 位（TIM2/5 是 32 位）；
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ARR（自动重装载值）：CNT 数到 ARR 就溢出清零（向上计数时），并产生更新事件。
📌 注意 &+1 的两处：分频是 ÷(PSC+1)，计数是 0~ARR 共 (ARR+1) 个数。所以：
定时器时钟 f_TIM
更新频率 f = ─────────────────────────
(PSC + 1) × (ARR + 1)万能公式，背下来！ 算两个例子：
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想每 1ms 进一次中断：72MHz ÷ (71+1) = 1MHz，再 ÷ (999+1) = 1kHz → PSC=71，ARR=999；
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想每 1s：PSC=7199、ARR=9999（72M ÷7200 =10kHz，÷10000 =1Hz）。
2.4 三种计数模式
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向上计数（最常用）：0→ARR 溢出；
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向下计数：ARR→0 下溢；
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中央对齐：上去再下来，周期实际是 2×(ARR+1) 个计数------算频率时一定要注意！常用于电机控制，得到的 PWM 脉冲关于周期中点对称，谐波小。
2.5 影子寄存器（预装载）：为什么改 ARR 不会"立刻"生效
ARR、PSC、CCR 这些寄存器，默认都有影子寄存器（Shadow Register）机制：你写入的值先进"预装载寄存器"，等下一个更新事件（UEV）才统一"搬家"到真正干活的寄存器里。
好处是切换参数不会把当前周期搅乱（比如呼吸灯改占空比、改周期，波形不会产生毛刺）。代价是：你在代码里改了 ARR，发现没"马上"生效------这是特性，不是 bug。（也可以通过 ARPE 位关掉预装载立即生效，一般不建议。）
三、输出比较（Output Compare）：PWM 的老爸
输出比较的逻辑极其简单：CNT 和 CCR 持续比较，相等的那一拍，执行预设动作。
可选动作有：置位（Active）、复位（Inactive）、翻转（Toggle）、PWM模式1/2。其中翻转模式配好频率就能输出稳定方波；而 PWM，本质上就是输出比较的一种特殊规则（见下一章）。
输出比较的独特用法：
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生成精确的单个脉冲（到时刻触发一次，而不是周期输出）；
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作为定时点事件：比如某个时刻触发 ADC 采样、触发其他定时器；
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精确控制脉冲数（如步进电机的脉冲输出）。
四、PWM 详解：频率、占空比与运行实战
4.1 原理一句话
PWM（脉冲宽度调制）= 周期固定（由 ARR 决定）+ 高电平宽度可调（由 CCR 决定）。
在边沿对齐的 PWM 模式1 下，规则是：CNT < CCR → 输出有效电平；CNT ≥ CCR → 输出无效电平。
ARR（自动重装载值）：CNT 数到 ARR 就溢出清零（向上计数时），并产生更新事件。
4.2 三个核心公式
PWM 频率 = f_TIM ÷ ((PSC+1) × (ARR+1))
PWM 占空比 = CCR ÷ (ARR+1)
分辨率(占空比步数) = ARR + 1 级 （ARR=999 → 千分之一步进）💡 改频率动 ARR，改占空比动 CCR，两者完全解耦------这是理解 PWM 最重要的一句话。调 LED 亮度、电机速度时只动 CCR，频率别去碰（电机堵转啸叫往往就是 PWM 频率在人耳范围内，把它提到 20kHz 以上就安静了）。
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PWM 模式1 vs 模式2：模式2 就是模式1 输出取反；
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边沿对齐 vs 中央对齐：中央对齐的脉冲居中对称，电机控制噪声更小，但频率公式要按三角波周期重新算；
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有效电平默认是高，也可以通过极性配置反转。
五、输入捕获（Input Capture）：给信号"拍照"
5.1 原理：边沿一到，快门一按
输入捕获是 PWM 输出的"逆运算"：当通道引脚检测到指定边沿（上升/下降/双边）时，硬件立刻把此刻 CNT 的值锁存进 CCR，同时可申请中断。
信号进入后依次经过：GPIO → 数字滤波器 （滤掉毛刺抖动）→ 边沿检测器（选极性）→ 通道选择（直连/交叉）→ 捕获预分频（每 N 次边沿抓一次）→ 锁存进 CCR。
5.2 测频率、测脉宽：思路一目了然
测频率：对同一个信号连续捕获两个相邻上升沿，两个捕获值之差 N 就是一个周期的计数：
信号频率 f = f_CNT ÷ (C2 − C1)测脉宽同理：上升沿捕获一次、下降沿捕获一次，差值就是高电平时间。
⚠️ 细节：信号周期很长时 CNT 中途会溢出，需要把更新中断里的溢出次数 × (ARR+1) 加进去（见实战四的讨论）。
5.3 进阶玩法：PWM 输入模式（一次同时测出频率和占空比）
这是输入捕获最精妙的设计：同一个引脚的信号，一路（TI1FP1）给 IC1，另一路（TI1FP2）交叉给 IC2 ，再配上从模式"复位"（TI1FP1 每来一个上升沿自动把 CNT 清零）：
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IC1（上升沿捕获）→ CCR1 = 一整个周期的计数 N1；
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IC2（下降沿捕获）→ CCR2 = 高电平期间的计数 N2；
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频率 = f_CNT ÷ N1，占空比 = N2 ÷ N1。
全程硬件自动完成，软件连中断都可以不进，直接读两个寄存器就行。注意：PWM 输入模式只能用 CH1 或 CH2（只有 TI1FP1/TI2FP2 接到了从模式控制器）。
5.4 了解一下：编码器接口模式
通用定时器的 CH1/CH2 还能组成正交编码器接口：CH1 接 A 相、CH2 接 B 相，硬件根据两路相位差自动让 CNT 加/减计数------读 CNT 就知道电机转了多少、往哪转，常用于测速定位。配置在 CubeMX 的 "Encoder Mode" 里，本文不展开，知道有这个功能即可。
六、高级定时器的三件独家兵器
TIM1/TIM8 在通用定时器基础上多了三样（电机控制必备）：
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重复计数器 RCR：溢出 RCR+1 次才产生一次更新事件（更低频的更新中断）；
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互补输出 OCxN + 死区插入 ：驱动 H 桥/三相桥时，上下两个 MOS 管绝不能同时导通（会直通短路炸管），死区就是切换瞬间强制双方都关断的一小段时间；
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刹车输入 BKIN ：外部紧急信号（过流/过压比较器输出）一到，硬件立刻把所有 PWM 输出拉到安全电平------这是纯硬件保护，比任何软件反应都快。
⚠️ 高级定时器还有个高频坑：用 TIM1/8 输出 PWM 时，除了
HAL_TIM_PWM_Start，还必须调用__HAL_TIM_MOE_ENABLE(&htimx)打开主输出使能，否则引脚毫无动静！（CubeMX 高级定时器部分工程会自动生成，但自己移植代码时经常忘。）
七、上手实战（STM32CubeMX + HAL）
四个实战从易到难，共用一个通用配置流程：
7.1 实战一：定时器中断，精准 1 秒闪一次 LED
目标：不用 HAL_Delay，让 LED 以严格的 1 秒周期翻转（同时主循环可以干别的事）。
CubeMX 配置：TIM3 → Clock Source = Internal Clock；PSC=7199，ARR=9999（72MHz ÷ 7200 = 10kHz，÷ 10000 = 1Hz）；NVIC 里勾选 TIM3 全局中断。
用户代码：
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); // 启动时基 + 更新中断
/* USER CODE END 2 */
/* 更新中断回调（溢出一次进一次） */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM3)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 板载LED翻转
}
}要点解析：
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HAL_TIM_Base_Start()是阻塞版启动，Start_IT才开中断------忘了这是"不进中断"的头号原因； -
中断回调是所有定时器共用 的，必须判断
htim->Instance是谁； -
中断里别做事 ：快进快出，设个标志位让主循环处理，更不要在回调里
HAL_Delay（会卡死 SysTick 或死锁，看优先级）。
7.2 实战二：PWM 呼吸灯
目标：LED 亮度像呼吸一样平滑渐变。
CubeMX 配置：TIM3 → Channel1 选 PWM Generation CH1 （PA6 自动变复用推挽）；PSC=71 （1MHz）、ARR=999（PWM 频率 1kHz）；Pulse 先填 0。
用户代码：
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM输出
while (1)
{
for (int d = 0; d <= 999; d += 5) // 渐亮
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, d); // 改CCR=改占空比
HAL_Delay(5);
}
for (int d = 999; d >= 0; d -= 5) // 渐暗
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, d);
HAL_Delay(5);
}
}要点解析：
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__HAL_TIM_SET_COMPARE就是写 CCRx，改的是占空比，频率纹丝不动； -
人眼对亮度的感知是非线性的，想要"看起来更顺滑"的呼吸感，可以把步进做成指数曲线；
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若改颜色（RGB 三通道 PWM），一个定时器的 3 个通道即可同时驱动一颗 RGB 灯。
7.3 实战三：PWM 驱动舵机 SG90
舵机是最经典的 PWM 应用：固定 50Hz，脉宽 0.5~2.5ms 对应 0°~180°。
CubeMX 配置：TIM3 CH1 PWM 输出；PSC=71 （1MHz，1 个计数 = 1µs）、ARR=19999（周期 = 20000µs = 20ms）；Pulse 初始 1500（中位）。
用户代码：
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
/* angle: 0~180 度 */
void Servo_SetAngle(float angle)
{
/* 500~2500us 脉宽线性映射 */
uint32_t ccr = (uint32_t)(500 + angle * (2000.0f / 180.0f));
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, ccr);
}要点解析：
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舵机电源要单独供电 并和单片机共地，直接从板子 5V 引大电流会复位或抖动；
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不同型号舵机脉宽范围略有差异（有的 0.5~2.4ms），以实测为准；
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数字舵机刷新率可以提高（如 300Hz），普通 SG90 保持 50Hz 就好。
7.4 实战四：PWM 输入模式测量信号的频率和占空比
目标：用 PA6（TIM3_CH1）测量外部一路 PWM（比如另一个板子发的 1kHz/50% 信号），算出频率和占空比。用第五章讲的 PWM 输入模式 + 从模式复位，硬件全自动。
CubeMX 配置（关键三步）：
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TIM3 → Channel1 选 Input Capture direct mode ；Channel2 选 Input Capture indirect mode（交叉到同一引脚）；
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CH1 极性 Rising（测周期）、CH2 极性 Falling（测高电平）；PSC=71（1MHz）、ARR=65535；
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Slave Mode = Reset Mode，Trigger Source = TI1FP1（每次上升沿自动清零 CNT），NVIC 勾 TIM3 中断。
用户代码：
uint32_t pwm_period = 0, pwm_pulse = 0;
float freq = 0, duty = 0;
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 两路都启动
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM3 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
pwm_period = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); // N1：整个周期
pwm_pulse = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2); // N2：高电平
if (pwm_period > 0)
{
freq = 1000000.0f / pwm_period; // f_CNT = 1MHz
duty = 100.0f * pwm_pulse / pwm_period; // 占空比 %
}
}
}要点解析：
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理解的关键就是第五章那张图：CCR1 存周期、CCR2 存高电平，复位模式让每周期重新数；
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量程边界：ARR=65535、1MHz 计数 → 最低可测约 15Hz（再低 CNT 溢出怎么办？可以在更新中断里累计溢出次数再补偿，或者干脆把 PSC 调大让计数更慢）；
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频率很高的信号（如 >100kHz）可以把 PSC 调小以提高分辨率，或换"测周法→测频法"的思路：固定时间窗口数上升沿个数。
八、HAL 常用函数/宏速查表
| 功能 | 函数 / 宏 | 说明 |
|---|---|---|
| 时基启动 | HAL_TIM_Base_Start(&htimx) |
阻塞/轮询方式 |
| 时基 + 中断 | HAL_TIM_Base_Start_IT(&htimx) |
更新中断走 PeriodElapsedCallback |
| 时基 + DMA | HAL_TIM_Base_Start_DMA(...) |
少见，用于定时搬运 |
| PWM 输出 | HAL_TIM_PWM_Start(&htimx, TIM_CHANNEL_x) |
记得高级定时器加 __HAL_TIM_MOE_ENABLE |
| 改占空比 | __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx, ch, val) |
写 CCRx |
| 读占空比 | __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htimx, ch) |
读 CCRx |
| 动态改周期 | __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htimx, val) |
写 ARR（注意影子寄存器） |
| 动态改分频 | __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&htimx, val) |
写 PSC |
| 输入捕获 + 中断 | HAL_TIM_IC_Start_IT(&htimx, ch) |
回调 HAL_TIM_IC_CaptureCallback |
| 读捕获值 | HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htimx, ch) |
读 CCRx |
| 输出比较 | HAL_TIM_OC_Start_IT(&htimx, ch) |
回调 HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback |
| 编码器模式 | HAL_TIM_Encoder_Start(&htimx, TIM_CHANNEL_ALL) |
读 __HAL_TIM_GET_COUNTER 得位置 |
九、常见问题 FAQ
Q1：为什么手册/教程都说定时器时钟 72MHz，APB1 明明是 36MHz？ A：见 2.2 节------APB 预分频系数 ≠1 时，定时器时钟自动 ×2。这是 STM32 定时器最经典的坑，没有之一。
Q2：我配了 PSC/ARR，中断频率却差一倍/两倍？ A：按出现概率排查：① 忘记 +1（PSC、ARR 实际作用都要 +1）；② 中央对齐模式周期要 ×2；③ 用错了 APB 时钟（TIM1/8 在 APB2）；④ 高级定时器忘设 RCR。
Q3：更新中断死活不进？ A：三步检查：NVIC 里没勾定时器全局中断 / 用了 HAL_TIM_Base_Start 而不是 Start_IT / MSP 里时钟没使能（CubeMX 生成的一般没问题）。
Q4：高级定时器（TIM1）配了 PWM，引脚没有输出？ A：99% 是忘了 __HAL_TIM_MOE_ENABLE(&htim1)。剩 1% 查 AFIO 复用和极性配置。
Q5：输入捕获读到的值一直是 0？ A：检查极性选错没有（上升沿 vs 下降沿）、从模式复位把 CNT 清了但捕获顺序没配对、以及 HAL_TIM_IC_Start_IT 启动了没。另外被测信号的幅度得达到 CMOS 电平标准（3.3V 系统别用 1.8V 信号直接怼）。
Q6：舵机/电机一动，单片机就复位或串口乱码？ A：典型的电源/地问题：电机这些"电老虎"和 MCU 共用一路脆弱供电，电流突变拉垮电压。路数：分开供电、共地、加电容、必要时光耦隔离、加续流二极管。
Q7：PWM 驱动电机有"滋滋"啸叫？ A：PWM 频率落在人耳可闻范围（20Hz~20kHz），线圈/电容在振动。把 ARR 调小把频率提到 20kHz 以上即可（注意频率越高占空比分辨率越低，自己权衡）。
Q8：定时器能不能级联（一个定时器触发另一个）？ A：可以！主定时器的更新事件/OC 信号通过 ITRx 送给从定时器作时钟源或触发，CubeMX 里 Master/Slave 配置，做高精度长时间计时或同步采集常用。
十、知识点速查表（背完敢去面试）
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定时器家族：基本（TIM6/7 仅时基）/ 通用（TIM2~5 带 4 通道）/ 高级（TIM1/8 加 RCR、互补死区、刹车）；
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时基三件套：PSC 分频（÷(PSC+1)）、CNT 计数、ARR 重装载（0~ARR 共 ARR+1 个数）；
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万能公式：更新频率 = f_TIM ÷ ((PSC+1)×(ARR+1))；
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APB 预分频≠1 → 定时器时钟 ×2；
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计数模式：向上 / 向下 / 中央对齐（周期×2，PWM 对称）；
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影子寄存器：改 ARR/CCR 写入预装载，UEV 才生效，波形无毛刺；
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输出比较：CNT==CCR 触发动作（置位/复位/翻转/PWM）；
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PWM：频率靠 ARR、占空比靠 CCR，两者解耦；模式1 vs 模式2 = 正反相；
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输入捕获：边沿锁存 CNT 到 CCR；测频 f = f_CNT ÷ (C2−C1)；溢出要补 N×(ARR+1)；
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PWM 输入模式：IC1 直连测周期（N1）、IC2 交叉测高电平（N2）+ 从模式复位 → 硬件同时出频率和占空比；只能用 CH1/CH2；
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高级定时器三支箭：RCR 重复计数、互补+死区（防桥臂直通）、BKIN 刹车；
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高级定时器 PWM 必开
__HAL_TIM_MOE_ENABLE； -
实战三板斧：
Base_Start_IT（定时）、PWM_Start（输出）、IC_Start_IT（捕获）。
十一、进阶阅读方向
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定时器级联做 32 位/64 位超长定时（主从触发 ITRx）；
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编码器接口 + M 法/T 法测速（电机控制入门）；
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输出比较 + DMA 输出任意波形（简易信号发生器）；
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高级定时器六路互补 PWM 驱动三相 BLDC（FOC 入门）；
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定时器触发 ADC（与 ADC 那篇笔记联动，做精确采样率采集）。
参考资料
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ST《STM32F10x 参考手册 RM0008》第 13/14/15 章：General-purpose / Advanced-control / Basic timers
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【野火】《STM32库开发实战指南》TIM 高级定时器章节：32. TIM---高级定时器 --- 野火STM32库开发实战指南------基于野火MINI开发板 文档
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【CSDN】STM32 定时器"输入捕获"和"输出比较"（HAL 库 + 实例讲解）：STM32 定时器"输入捕获"和"输出比较"（HAL 库 + 实例讲解）_stm32输入捕获和输出比较-CSDN博客
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【CSDN】STM32 学习笔记------TIM 输入捕获：STM32学习笔记------TIM输入捕获_stm32 tim pwm捕获-CSDN博客
-
【博客园】STM32外设学习------TIM定时器------输入捕获测频：STM32外设学习--TIM定时器--输入捕获---测频办法。 - tlnshuju - 博客园
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【知乎】"1，2，3，定时器"------跟我一起写STM32：https://zhuanlan.zhihu.com/p/599311172
📝 这篇笔记把定时器拆成"时基 → 输出 → 输入"三条线，配合四张原理时序图和四个可跑的实战，力求一遍读通。文中如有疏漏，欢迎评论区指正，一起进步！