嵌入式开发十九：SysTick

在前面实验中我们使用到的延时都是通过SysTick进行延时的。我们知道，延时有两种方式：软件延时，即CPU 循环等待产生的，这个延时是不精确的。第二种就是滴答定时器延时，本篇博客就来介绍 STM32F4 内部 SysTick 系统定时器，通过一个简单的 LED 流水灯程序来讲述如何配置 SysTick 系统定时器实现精确延时。学习可以参考《STM32F3 与 F4 系列 Cortex M4 内核编程手册》 4.5 SysTick timer (STK) 章节或者参考库函数中 core_cm4.h 文件。

一、SysTick 定时器介绍

二、SysTick 定时器操作

2.1 SysTick 定时器寄存器

2.1.1 控制和状态寄存器：CTRL

2.1.2 重装载寄存器：LOAD

2.1.3 当前数值寄存器：VAL

2.1.4 校准数值寄存器：CALIB

2.2 系统节拍定时器的工作原理

2.3 SysTick 定时器操作步骤

2.4 使用SysTick 定时器实现精准延时

2.4.1 实现1微秒延时

2.4.2 实现1毫秒延时

2.4.3 实现1秒延时

三、SysTick 定时实验

一、SysTick 定时器介绍

SysTick 定时器也叫 SysTick 滴答定时器，它是 Cortex-M4 内核的一个外设，被嵌入在 NVIC 中，用来产生SYSTICK异常(异常号:15)。它是一个 24 位向下递减的定时器，每计数一次所需时间为 1/SYSTICK，SYSTICK 是系统定时器时钟，它可以直接取自系统时钟，还可以通过系统时钟 8 分频后获取，本套程序中我们采用后者，即每计数一次所需时间为 1/(168/8)us，换句话说在 1us 的时间内会计数 21 次。当定时器计数到 0 时，将从 LOAD 寄存器中自动重装定时器初值，重新向下递减计数，如此循环往复。如果开启 SysTick 中断的话，当定时器计数到 0，将产生一个中断信号。如下图所示，因此只要知道计数的次数就可以准确得到它的延时时间。因为 SysTick 是属于 CM4 内核的外设，所以所有基于 CM4 内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在 CM4 单片机中可以很容易的移植。系统定时器一般用于操作系统，用于产生时基，维持操作系统的心跳。

如何计算延时时间？

如果时钟源选择8分频后的即21MHZ，那么，1秒钟就会计数21000000次，（计数一次的时间就是：1/21000000），如此：如果想要定时1毫秒，就要计数21000次，定时1微秒，就要计数21次！

二、SysTick 定时器操作

在 STM32F4 库函数中，并没有提供相应的 SysTick 定时器配置函数，我们要操作 SysTick 定时器就需要了解它的寄存器功能。其实 SysTick 定时器寄存器很简单，只有 4 个，分别是 CTRL、LOAD、VAL、CALIB，在使用 SysTick 产生定时的时候，只需要配置前三个寄存器，最后一个校准寄存器不需要使用。对应如下图所示：

2.1 SysTick 定时器寄存器

2.1.1 控制和状态寄存器：CTRL

CTRL 是 SysTick 定时器的控制及状态寄存器。其相应位功能如下：

注：CLKSOUTCE 位是用于选择 SysTick 定时器时钟来源：

如果该位为 1，表示其时钟是由系统时钟直接提供即 168M。
如果该位为 0，表示其时钟是由系统时钟八分频后提供即 168/8=21M。

2.1.2 重装载寄存器：LOAD

LOAD 是 SysTick 定时器的重装载数值寄存器。其相应位功能如下：

因为 STM32F4 的 SysTick 定时器是一个 24 位递减计数器，因此重装载寄存器中只使用到了低 24 位，即 bit0-bit23。当系统复位时，其值为 0。

2.1.3 当前数值寄存器：VAL

VAL 是 SysTick 定时器的当前数值寄存器。其相应位功能如下：

同样只有 bit0-bit24 有效，复位时值为 0。

2.1.4 校准数值寄存器：CALIB

CALIB 是 SysTick 定时器的校准数值寄存器。其相应位功能如下：

此寄存器在定时实验中不需要使用，可以不用了解。

2.2 系统节拍定时器的工作原理

当系统节拍定时器⼯作时，该定时器⾸先会从寄存器LOAD存储的值开始递减计数。当递减为0 后，寄存器CTRL的COUNTFLAG状态位会置1，同时会重装载寄存器LOAD预置的值。当计数到０时，通过设置寄存器CTRL的TICKINT的值来产⽣异常（中断），或是⽆动作。

2.3 SysTick 定时器操作步骤

SysTick 定时器的操作可以分为 4 步：

设置 SysTick 定时器的时钟源。
设置 SysTick 定时器的重装初始值（如果要使用中断的话，就将中断使能打开）。
清零 SysTick 定时器当前计数器的值。
打开 SysTick 定时器。

2.4 使用SysTick 定时器实现精准延时

2.4.1 实现1微秒延时

void Sleep_us(uint32_t us)
{
  while(us--)
  {
     SysTick ->CTRL = (1 << 0);   //定时器使能第0位置1
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<2);   //选择时钟源：第2位置0，选择外部时钟源，由系统时钟八分频后提供即 168/8=21M
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<1);   //延时时间到无动作：第1位置0

     SysTick ->VAL = 0x0;        //当前数值寄存器初值赋0
     SysTick ->LOAD = 21;       //重装载数值寄存器的值，定时1微秒，所以是21

     while(!(SysTick ->CTRL & (1<<16)));  //死循环等待计数值减到0
     SysTick ->CTRL = ~(1<<0);    //关闭定时器，第0位置0
  }
 
}


//复用上述函数实现延时1秒
void Sleep_s(uint32_t s)
{
   while(s--)
  {
      Sleep_ms(1000);
 }
}

2.4.2 实现1毫秒延时

void Sleep_ms(uint32_t ms)
{
  while(ms--)
  {
     SysTick ->CTRL = (1 << 0);   //定时器使能第0位置1
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<2);   //选择时钟源：第2位置0，选择外部时钟源，由系统时钟八分频后提供即 168/8=21M
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<1);   //延时时间到无动作：第1位置0

     SysTick ->VAL = 0x0;        //当前数值寄存器初值赋0
     SysTick ->LOAD = 21000;       //重装载数值寄存器的值，定时1毫秒，所以是21000

     while(!(SysTick ->CTRL & (1<<16)));  //死循环等待计数值减到0
     SysTick ->CTRL = ~(1<<0);    //关闭定时器，第0位置0
  }
 
}

2.4.3 实现1秒延时

void Sleep_s(uint32_t s)
{
  while(s--)
  {
     SysTick ->CTRL = (1 << 0);   //定时器使能第0位置1
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<2);   //选择时钟源：第2位置0，选择外部时钟源，由系统时钟八分频后提供即 168/8=21M
     SysTick ->CTRL &= ~(1<<1);   //延时时间到无动作：第1位置0

     SysTick ->VAL = 0x0;        //当前数值寄存器初值赋0
     SysTick ->LOAD = 21000000;       //重装载数值寄存器的值，定时1秒，所以是21000000

     while(!(SysTick ->CTRL & (1<<16)));  //死循环等待计数值减到0
     SysTick ->CTRL = ~(1<<0);    //关闭定时器，第0位置0
  }
 
}

1秒=1000毫秒=1000微秒。

三、SysTick 定时实验

利用 SysTick 产生 1s 的时基，LED 以 1s 的频率闪烁。

led.h文件

#ifndef __MYLED_H
#define __MYLED_H

void LED_Init(void);

#endif

led.c 文件

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "myled.h"

/*开时钟  打开外设对应的时钟（查看参考手册，该外设挂在哪个数据总线上），对应GPIO在哪条总线开哪条
	GPIOF外设 挂在AHB1总线上，所以要打开AHB1的时钟，双击函数，右键->go to definition*/


void LED_Init(void)
{
    //第一步：使能GPIOF的时钟 
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);//使能 GPIOF 时钟
	
   //第二步：GPIOF9,F10 初始化设置
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;//LED0 和 LED1 对应 IO 口
   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
   GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIO

   //第三步：设置灯的初始状态
   GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);//GPIOF9,F10 设置高电平，灯灭
}

mydelay.h

#ifndef __MYLED_H
#define __MYLED_H

void LED_Init(void);

#endif

mydelay.c

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "mydelay.h"

void My_Delay_us(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        SysTick ->CTRL = (1 << 0);
    
        SysTick ->CTRL &= ~(1<<2);
    
        SysTick ->CTRL &= ~(1<<1);
    
        SysTick ->VAL = 0x0;
    
        SysTick ->LOAD = 21;
    
        while(!(SysTick ->CTRL & (1<<16)));
        SysTick ->CTRL = ~(1<<0);
    }
}

void My_Delay_ms(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        My_Delay_us(1000);
    }
}


void My_Delay_s(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        My_Delay_ms(1000);
    }
}

main.c文件

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "stdio.h"
#include "mydelay.h"
#include "myled.h"

int main(void)
{
    LED_Init();
    
    while(1)
    {
        My_Delay_ms(1000);           //延时1秒
        GPIO_ToggleBits(GPIOF,GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);
    }
}