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前言

提示：本文主要用作在学习江科大自化协STM32入门教程后做的归纳总结笔记，旨在学习记录，如有侵权请联系作者

本文主要探讨STM32中功能最强大、结构最复杂的一个外设 TIM（Timer）定时器，主要包括定时器的基本概念、分类以及定时中断基本结构等，本文还对基本定时器、通用定时器以及高级定时器的内部结构进行了详细的分析，为更好地理解与使用定时器打下了坚实的基础。

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一、TIM定时器简介

1.1 定时器的基本功能

TIM（Timer）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，这就是定时器最基本的功能，也就是定时触发中断。 同时也可以看出来，定时器就是一个计数器。当这个计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟的时候，那它在对这个基准时钟进行计数的过程，实际上就是计时的过程。

1.2 时基单元

STM32的定时器拥有16位计数器、预分频器和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。 这里的计数器就是用来执行计数定时的一个寄存器，每来一个时钟，计数器加1。预分频器，可以对计数器的时钟进行分频，让这个计数更加灵活。自动重装寄存器就是计数的目标值，就是我想要计多少个时钟申请中断。这些寄存器构成了定时器最核心的部分，我们把这一块电路称为时基单元。

这个时基单元里面的计数器、预分频器和自动重装寄存器都是16位的，2的16次方是65536，也就是如果预分频器设置最大，自动重装也设置最大，那定时器的最大定时时间就是59.65s，接近1分钟。那这个是怎么算的呢？就是72M / 65536 / 65536，得到的是中断频率，然后取倒数，就是59.65秒多，这就是最大的定时时间。

1.3 定时器的其他功能

STM32的定时器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、编码器接口以及主从触发模式等多种功能。由于定时器的这个结构是非常通用的，很多模块电路都能用到，所以STM32的定时器上扩展了非常多的功能。

1.4 TIM定时器的分类

STM32的定时器根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器和基本定时器三种类型。其中，高级定时器最为复杂，通用定时器中等复杂、最常用，基本定时器最简单。

类型	编号	总线	功能
高级定时器	TIM1、TIM8	APB2	拥有通用定时器的全部功能，并额外具有重复计数器、死区生成、互补输出、刹车输入等功能
通用定时器	TIM2、TIM3、TIM4、TIM5	APB1	拥有基本定时器的全部功能，并额外具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口以及主从触发模式等功能
基本定时器	TIM6、TIM7	APB1	拥有定时中断、主模式触发DAC的功能

• STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4

注意：不同型号的芯片定时器的数量是不一样的，在操作这个外设之前一定要查一下有没有这个外设

二、TIM定时器的内部结构

2.1 基本定时器

首先，这一部分有三个最重要的寄存器，分别是预分频器PSC、计数器CNT和自动重装寄存器，它们构成了最基本的计数计时电路，所以这一块电路叫作时基单元。

预分频器前连接的就是基准计数时钟的输入。由于基本定时器只能选择内部时钟，所以你可以直接认为预分频器之前的这根线直接连到了输入端这里，也就是内部时钟CK_INT。内部时钟的来源是RCC的TIMxCLK，这里的频率值一般都是系统的主频72MHz，所以通向时基单元的计数基准频率就是72M。

再来看时基单元，首先是预分频器，它可以对这个72MHz的计数时钟进行预分频。比如这个寄存器写0，那就是不分频或者说是1分频，这时候输出频率 = 输入频率 = 72MHz。如果预分频器写1，那就是2分频，输出频率 = 输入频率 / 2 = 36MHz。如果写2，那就是3分频，以此类推。所以预分频器的值和实际的分频系数相差了1。即实际分频系数 = 预分频器的值 + 1。 这个预分频器是16位的，所以最大值可以写65535，也就是65536分频。这就是预分频器，就是对输入的基准频率提前进行一个分频的操作。

然后是计数器，这个计数器可以对预分频后的计数时钟进行计数。计数时钟每来一个上升沿，计数器的值就加1。这个计数器也是16位的，所以里面的值可以从0一直加到65535，如果再加的话，计数器就会回到0重新开始计数。 所以计数器的值在计时过程中会不断地自增运行，当自增运行到目标值时产生中断，那就完成了定时的任务。所以现在还需要一个存储目标值的寄存器，那就是自动重装寄存器了。

自动重装寄存器也是16位的，它存的就是我们写入的计数目标。在运行的过程中，计数值不断自增，自动重装值是固定的目标，当计数值等于自动重装值时，也就是计时时间到了，那它就会产生一个中断信号并且清零计数器，计数器自动开始下一次的计数计时。

在这里图上画的一个向上的折线箭头，就代表这里会产生中断信号。像这种计数值等于自动重装值产生的中断，我们一般把它叫作更新中断。这个更新中断之后就会通往NVIC，我们再配置好NVIC的定时器通道，那定时器的更新中断就能够得到CPU的响应了。

这里向下的箭头，代表的是会产生一个事件，这里对应的事件就叫作更新事件。更新事件不会触发中断，但可以触发内部其他电路的工作。

以上这些就是定时器定时中断的全部流程了。从基准时钟，到预分频器再到计数器。计数器计数自增，同时不断地与自动重装寄存器进行比较，他俩值相等时，即计时时间到，这时会产生一个更新中断和更新事件，CPU响应更新中断，就完成了我们定时中断的任务了。

在这里简单介绍一下这个主模式触发DAC的功能。STM32定时器的一大特色，就是这个主从触发模式，它能让内部的硬件在不受程序的控制下实现自动运行，如果能把这个主从触发模式掌握好，那在某些情景下将会极大地减轻CPU的负担。

这个主模式触发DAC有啥用呢？这个用途就是在我们使用DAC的时候，可能会用DAC输出一段波形，那就需要每隔一段时间就来触发一次DAC让它输出下一个电压点。如果用正常的思路来实现的话，就是先设置一个定时器产生中断，每隔一段时间在中断程序中调用代码手动触发一次DAC转换，然后DAC输出。这样也是没问题的，但是这样会使主程序处于频繁被中断的状态，这会影响主程序的运行和其他中断的响应。所以定时器就设计了一个主模式，使用这个主模式可以把定时器的更新事件映射到这个触发输出TRGO（Trigger Out）的位置，然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上。这样，定时器的更新就不需要再通过中断来触发DAC转换了，仅需要把更新事件通过主模式映射到TRGO，然后TRGO就会直接去触发DAC了，整个过程不需要软件的参与，实现了硬件的自动化，这就是主模式的作用。

2.2 通用定时器

再来看一下通用定时器，相比较于基本定时器，通用定时器的结构就复杂多了。首先是中间最核心的这一部分还是时基单元，这部分结构和基本定时器是一样的，由预分频器、计数器和自动重装寄存器构成。每部分的工作流程和基本定时器也是一样的，预分频器对时钟进行预分频，计数器自增计数，当计数值达到自动重装值时，计数值清零同时产生更新中断和更新事件。

不过对于通用计时器而言，这个计数器的计数模式就不止向上计数这一种了。前面的分析我们都是用向上计数的模式，也就是计数器从0开始，向上自增，计到重装值清零同时申请中断，然后开始下一轮，依次循环。除了向上计数这一种模式外，通用定时器和高级定时器还支持向下计数模式和中央对齐模式。

向下计数模式就是从重装值开始向下自减，减到0之后回到重装值同时申请中断，然后继续下一轮，依次循环。中央对齐模式就是从0开始，先向上自增计到重装值，申请中断，然后再向下自减，减到0再申请中断，然后继续下一轮，依次循环。

总结一下就是，基本定时器仅支持向上计数模式，通用定时器和高级定时器不仅支持向上计数模式，还支持向下计数模式以及中央对齐模式。不过我们最常用的还是向上计数模式。

然后我们再来看一下上面这部分结构，这些就是内外时钟源选择和主从触发模式的结构了。

我们先看一下内外时钟源选择。对于基本定时器而言，定时只能选择内部时钟，也就是系统频率72MHz，而通用定时器时钟源不仅可以选择内部时钟，还可以选择外部时钟。具体都有哪些呢？

第一个外部时钟就是来自TIMx_ETR引脚上的外部时钟。 这个ETR引脚的位置，可以参考一下引脚定义表。可以看到这里有TIM2_CH1_ETR，意思就是这个TIM2的CH1和ETR都是复用在了这个位置，也就是PA0引脚。下面还有CH2、CH3、CH4和其他定时器的一些引脚，也都可以在这里找到。

那这里，我们可以在这个TIM2的ETR引脚，也就是PA0上接一个外部方波时钟。然后配置一下内部的极性选择、边沿检测和预分频器电路，再配置一下输入滤波电路（这些电路可以对外部时钟进行一定的整形，因为是外部引脚的时钟，所以难免会有些毛刺，那这些电路就可以对输入的波形进行滤波，同时也可以选择一下极性和预分频器）

最后，滤波后的信号兵分两路，上面一路ETRF进入触发控制器，紧跟着就可以选择作为时基单元的时钟了。如果你想在ETR外部引脚提供时钟，或者想对ETR时钟进行计数，把这个定时器当作计数器来用的话，那就可以配置这一路的电路，在STM32中，这一路也叫做“外部时钟模式2”。

除了外部ETR引脚可以提供时钟外，下面这里还有一路可以提供时钟，就是TRGI（Trigger In）。 这一路从名字上来看的话，它主要是用作触发输入来使用的，这个触发输入可以触发定时器的从模式。关于触发输入和从模式这里暂时先不细讲，我们先来讲一下这个触发模式作为外部时钟来使用的情况。暂且可以把这个TRGI当作外部时钟的输入来看，当这个TRGI当作外部时钟来使用的时候，这一路就叫作“外部时钟模式1”。那通过这一路的外部时钟都有哪些呢？

往左看，第一个，就是ETR引脚的信号。这里ETR引脚既可以通过上面这一路来当作时钟，又可以通过下面这一路来当作时钟，两种情况对于时钟输入而言是等价的，只不过是下面这一路输入会占用触发输入的通道而已。

然后第二个，就是ITR信号，这一部分的时钟信号是来自其他定时器的。 从右边可以看出，这个主模式的输出TRGO可以通向其他定时器，那通向其他定时器的时候，就接到了其他定时器的ITR引脚上来了。这个ITR0到ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出。

至于具体的连接方式是怎么样的，可以看一下手册里如下的这一张表。这里可以看到，TIM2的ITR0是接在了TIM1的TRGO上的，ITR1接在了TIM8，ITR2接在了TIM3，ITR3接在了TIM4，其他定时器也都可以参照一下这个表，这就是ITR和定时器的连接关系。

通过这一路我们就可以实现定时器级联的功能。比如我们可以先初始化TIM3，然后使用主模式把它的更新事件映射到TRG0上，接着再初始化TIM2，这里选择ITR2，对应的就是TIM3的TRGO，然后后面再选择时钟为外部时钟模式1，这样TIM3的更新事件就可以驱动TIM2的时基单元，也就实现了定时器的级联。

那我们继续看，这里还可以选择TI1F_ED，这里连接的是输入捕获单元的CH1引脚，也就是从CH1引脚获得时钟。这里后缀加一个ED（Edge）就是边沿的意思，也就是通过这一路输入的时钟，上升沿和下降沿均有效。最后，这个时钟还能通过TI1FP1和TI2FP2获得，其中TI1FP1是连接到了CH1引脚的时钟，TI2FP2连接到了CH2引脚的时钟。

以上就是外部时钟模式1的输入的全部内容了。总结一下就是，外部时钟模式1的输入可以是ETR引脚、其他定时器、CH1引脚的边沿、CH1引脚和CH2引脚。 这还是比较复杂的，一般情况下外部时钟通过ETR引脚就可以了，设置这么复杂的输入，不仅仅是为了扩大时钟输入的范围，更多的还是为了某些特殊应用场景而设计的。对于时钟输入而言，最常用的还是内部的72MHz的时钟，如果要使用外部时钟，首选ETR引脚外部时钟模式2的输入，这一路最简单，最直接。

这里还有一块没讲到，下面这个是定时器的一个编码器接口，可以读取正交编码器的输出波形。然后右边还有一个定时器的主模式输出，这部分电路可以把内部的一些事件映射到这个TRGO引脚上，比如刚刚分析的基本定时器，将更新事件映射到TRGO用于触发DAC。这里也是一样，它可以把定时器内部的一些事件映射到这里来，用于触发其他定时器、DAC或者ADC。可见这个触发输出的范围是比基本定时器更广一些的。

那上面这部分就差不多了，我们再看一下下面这一部分，这一部分主要包含了两块电路。

右边这块是输出比较电路，总共有四个通道，分别对应CH1到CH4的引脚，可以用于输出PWM波形驱动电机。左边这一块是输入捕获电路，也是有四个通道，对应的也是CH1到CH4的引脚，可以用于测量输入方波的频率等。中间这个寄存器是捕获/比较寄存器，是输入捕获和输出比较电路共用的，因为输入捕获和输出比较不能同时使用，所以这里的寄存器是共用的，引脚也是共用的。

输入捕获和输出比较这部分电路先暂时不讲，那到这里，有关通用定时器的内容就讲完了。

2.3 高级定时器

最后，我们再简单地看一下高级定时器。对比通用定时器的结构，高级定时器这里，左上的这一大部分都没有变化，主要改动的就是右边的这几个部分。

第一个是这里，申请中断的地方，增加了一个重复次数计数器。有了这个计数器之后，就可以实现每隔几个计数周期才发生一次更新事件和更新中断。原来的结构是每个计数周期完成后都会发生更新，现在有个计数器在这里，可以实现每隔几个周期再更新一次，这就相当于对输出的更新信号又做了一次分频。那对于高级定时器的话，我们之前计算的最大定时时间59秒多，在这里就还需要再乘一个65536，这就又提升了很多的定时时间了。这就是这个重复次数计数器的工作流程。

然后下面这里的这些，就是高级定时器对输出比较模块的升级了，这些内容大概了解一下就行了，现在还不必深入。

三、定时中断的基本结构

我们来看一下定时中断和内外时钟源选择所涉及的结构，以下这个就是定时中断的基本结构图。

那首先，中间最重要的还是PSC（Prescaler）预分频器、CNT（Counter）计数器、ARR（AutoReloadRegister）自动重装器这三个寄存器构成的时基单元。下面这里是运行控制，就是控制寄存器的一些位，比如启动停止、向上或向下计数等等，我们操作这些寄存器就能控制时基单元的运行了。

左边是为时基单元提供时钟的部分，这里可以选择RCC提供的内部时钟，也可以选择ETR引脚提供的外部时钟模式2。当然也可以选择这里的触发输入当作外部时钟，即外部时钟模式1，对应的有ETR外部时钟、ITRx其他定时器、TIx输入捕获通道，这些就是定时器的所有可选的时钟源了。

最后这里还有个编码器模式，这一般是编码器独用的模式，普通的时钟用不到这个。

接下来右边这里，就是计时时间到，产生更新中断后的信号去向。在这里，如果是高级定时器的话，还会多一个重复计数器，不过我们暂时就不考虑了。那这里，中断信号会先在状态寄存器里置一个中断标志位，这个标志位会通过中断输出控制，到NVIC申请中断。为什么会有一个中断输出控制呢？因为这个定时器模块有很多地方都要申请中断（不仅更新要申请中断，触发信号也会申请中断，输入捕获和输出比较匹配时也会申请中断），所以这些中断都要经过中断输出控制。如果需要这个中断，那就允许，如果不需要，那就禁止。简单来说，这个中断输出控制就是一个中断输出的允许位，如果需要某个中断，就允许一下。

四、时序图

4.1 预分频器时序

计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)

4.2 计数器时序

计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1) = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

4.3 计数器无预装时序

4.4 计数器有预装时序

五、时钟树

这个时钟树，就是STM32中用来产生和配置时钟，并且把配置好的时钟发送到各个外设的系统。时钟是所有外设运行的基础，所以时钟也是最先需要配置的东西，在执行主程序之前还会执行一个SystemInit函数，这个函数的作用就是配置时钟树的。