STM32定時器詳解 -----影子寄存器，預(yù)裝寄存器

在STM32F10xxx系列的32位MCU上，定時器資源十分豐富，包括高級控制定時器，通用定時器和基本定時器。此外，還有能夠?qū)崿F(xiàn)定時功能的系統(tǒng)滴答定時器，實時時鐘以及看門狗。關(guān)于這些定時器的介紹，占據(jù)了STM32F10xxx參考手冊1/5的篇幅，可見其功能的強(qiáng)大。

在低容量和中容量的STM32F103xx產(chǎn)品，以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中，只有一個高級控制定時器TIM1。而在高容量和超大容量的STM32F103xx產(chǎn)品中，有兩個高級控制定時器TIM1和TIM8。

在所有STM32F10xxx系列產(chǎn)品中，都有通用定時器TIM2~TIM5，除非另有說明。除此之外，在超大容量產(chǎn)品中，還有通用定時器TIM9~TIM14。

在高容量和超大容量的STM32F101xx和STM32F103xx產(chǎn)品，以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中，有兩個基本定時器TIM6和TIM7。

其中，高級控制定時器的功能最為強(qiáng)大，可以實現(xiàn)所有其他定時器的所有功能。TrailBreaker開發(fā)板使用的是高容量的STM32F103ZE，因此有兩個高級控制定時器TIM1和TIM8。下面我們就著重介紹這兩個高級控制定時器。

TIM1和TIM8簡介

高級控制定時器(TIM1和TIM8)由一個16位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動。 它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較、PWM、嵌入死區(qū)時間的互補(bǔ)PWM等)。 使用定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調(diào)節(jié)。

關(guān)于實驗中用到的LED部分原理圖和GPIO跑馬燈實驗所用到的相同，在此不再多做介紹。

TIM1和TIM8定時器的功能包括：

16位向上、向下、向上/下自動裝載計數(shù)器

16位可編程(可以實時修改)預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率的分頻系數(shù)為1～65535之間的任意數(shù)值

多達(dá)4個獨(dú)立通道： ─ 輸入捕獲 ─ 輸出比較 ─ PWM生成(邊緣或中間對齊模式) ─ 單脈沖模式輸出

死區(qū)時間可編程的互補(bǔ)輸出

使用外部信號控制定時器和定時器互聯(lián)的同步電路

允許在指定數(shù)目的計數(shù)器周期之后更新定時器寄存器的重復(fù)計數(shù)器

剎車輸入信號可以將定時器輸出信號置于復(fù)位狀態(tài)或者一個已知狀態(tài)

如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷/DMA：

─ 更新：計數(shù)器向上溢出/向下溢出，計數(shù)器初始化(通過軟件或者內(nèi)部/外部觸發(fā))

─ 觸發(fā)事件(計數(shù)器啟動、停止、初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計數(shù))

─ 輸入捕獲

─ 輸出比較

─ 剎車信號輸入

支持針對定位的增量(正交)編碼器和霍爾傳感器電路

觸發(fā)輸入作為外部時鐘或者按周期的電流管理

高級定時器框圖和時鐘簡介

如框圖中的紅框所示，紅框中的部分，也是時基單元（Time-base unit），對時基單元進(jìn)行設(shè)置，就可以完成基礎(chǔ)的定時器的使用設(shè)置。

計數(shù)器時鐘可由下列時鐘源提供：

● 內(nèi)部時鐘(CK_INT)

● 外部時鐘模式1：外部輸入引腳

● 外部時鐘模式2：外部觸發(fā)輸入ETR

● 內(nèi)部觸發(fā)輸入(ITRx)：使用一個定時器作為另一個定時器的預(yù)分頻器。如可以配置一個定時器Timer1而作為另一個定時器Timer2的預(yù)分頻器。詳見數(shù)據(jù)手冊的通用定時器部分。

內(nèi)部時鐘源(CK_INT)：

如果禁止了從模式控制器(SMS=000)，則CEN、DIR(TIMx_CR1寄存器)和UG位(TIMx_EGR寄存器)是事實上的控制位，并且只能被軟件修改(UG位仍被自動清除)。只要CEN位被寫成’1’，預(yù)分頻器的時鐘就由內(nèi)部時鐘CK_INT提供。 下圖顯示控制電路和向上計數(shù)器在一般模式下，不帶預(yù)分頻器時的操作。

外部時鐘源模式1

當(dāng)TIMx_SMCR寄存器的SMS=111時，此模式被選中。計數(shù)器可以在選定輸入端的每個上升沿或下降沿計數(shù)。 下圖為TI2外部時鐘連接例子

例如，要配置向上計數(shù)器在T12輸入端的上升沿計數(shù)，使用下列步驟：

1.配置TIMx_CCMR1寄存器CC2S=01

2.配置通道2檢測TI2輸入的上升沿

3.配置TIMx_CCMR1寄存器的IC2F[3:0]，選擇輸入濾波器帶寬(如果不需要濾波器，保持IC2F=0000)

4.配置TIMx_CCER寄存器的CC2P=0，選定上升沿極性

5.配置TIMx_SMCR寄存器的SMS=111，選擇定時器外部時鐘模式1

6.配置TIMx_SMCR寄存器中的TS=110，選定TI2作為觸發(fā)輸入源

7.設(shè)置TIMx_CR1寄存器的CEN=1，使能計數(shù)器

注： 捕獲預(yù)分頻器不用作觸發(fā)，所以不需要對它進(jìn)行配置

當(dāng)上升沿出現(xiàn)在TI2，計數(shù)器計數(shù)一次，且TIF標(biāo)志被設(shè)置。 在TI2的上升沿和計數(shù)器實際時鐘之間的延時，取決于在TI2輸入端的重新同步電路。

下圖為外部時鐘模式1下的控制電路

外部時鐘源模式2

選定此模式的方法為：令TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1。

計數(shù)器能夠在外部觸發(fā)ETR的每一個上升沿或下降沿計數(shù)。

下圖是外部觸發(fā)輸入的框圖

設(shè)置從模式控制寄存器的ETP位選擇選擇是用ETR還是ETR的反相來作為觸發(fā)操作

例如，要配置在ETR下每2個上升沿計數(shù)一次的向上計數(shù)器，使用下列步驟：

1.本例中不需要濾波器，置TIMx_SMCR寄存器中的ETF[3:0]=0000

2.設(shè)置預(yù)分頻器，置TIMx_SMCR寄存器中的ETPS[1:0]=01

3.選擇ETR的上升沿檢測，置TIMx_SMCR寄存器中的ETP=0

4.開啟外部時鐘模式2，寫TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1

5.啟動計數(shù)器，寫TIMx_CR1寄存器中的CEN=1

計數(shù)器在每2個ETR上升沿計數(shù)一次。

在ETR的上升沿和計數(shù)器實際時鐘之間的延時取決于在ETRP信號端的重新同步電路。

下圖為外部時鐘模式2下的控制電路

如圖，該圖為STM32的時鐘樹，結(jié)合高級控制定時器框圖，我們可以看出，高級定時器的時鐘不是直接來自APB2，而是來自于輸入為APB2的一個倍頻器。

當(dāng)APB2的預(yù)分頻系數(shù)為1時，這個倍頻器不起作用，定時器的時鐘頻率等于APB2的頻率；當(dāng)APB2的預(yù)分頻系數(shù)為其它數(shù)值(即預(yù)分頻系數(shù)為2、4、8或16)時，這個分頻器起作用，定時器的時鐘頻率等于APB2的頻率相應(yīng)倍數(shù)。

假定AHB=36MHz，因為APB2允許的最大頻率為72MHz，所以APB2的預(yù)分頻系數(shù)可以取任意數(shù)值；當(dāng)預(yù)分頻系數(shù)=1時，APB2=72MHz，TIM1和TIM8的時鐘頻率=72MHz(分頻器不起作用)；當(dāng)預(yù)分頻系數(shù)=2時，APB1=36MHz，在倍頻器的作用下，TIM1和TIM8的時鐘頻率=72MHz。

有人會問，既然需要TIM1和TIM8的時鐘頻率為72MHz，為什么不直接取APB2的預(yù)分頻系數(shù)=1？答案是：APB2不但要為TIM1和TIM8提供時鐘，而且還要為其它外設(shè)提供時鐘；設(shè)置這個倍頻器可以在保證其它外設(shè)使用較低時鐘頻率時，TIM1和TIM8仍能得到較高的時鐘頻率。

再舉個例子：當(dāng)AHB=72MHz時，APB2因為其他設(shè)備需要，時鐘為36MHZ，因為這個倍頻器，TIM1和TIM8仍然能夠得到72MHz的時鐘頻率。能夠使用更高的時鐘頻率，無疑提高了定時器的分辨率，這也正是設(shè)計這個倍頻器的初衷。

高級定時器寄存器簡介

可編程高級控制定時器的主要部分是一個16位計數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載寄存器。這個計數(shù)器可以向上計數(shù)、向下計數(shù)或者向上向下雙向計數(shù)。此計數(shù)器時鐘由預(yù)分頻器分頻得到。 計數(shù)器、自動裝載寄存器和預(yù)分頻器寄存器可以由軟件讀寫，即使計數(shù)器還在運(yùn)行讀寫仍然有效。

時基單元，也就是決定了定時器的基本功能的模塊包含：

1.計數(shù)器寄存器(Counter register，簡寫為TIMx_CNT)

2.預(yù)分頻器寄存器 (Prescaler register，簡寫為TIMx_PSC)

3.自動裝載寄存器 (Auto-reload register，簡寫為TIMx_ARR)

4.重復(fù)次數(shù)寄存器 (Repetition counter register，簡寫為TIMx_RCR)

1.影子寄存器

這張圖是高級定時器框圖的一部分，細(xì)心的人可以發(fā)現(xiàn)預(yù)分頻器寄存器、自動重載寄存器和捕捉/比較寄存器下面有一個陰影，其他的寄存器有些也有陰影。

這表示在物理上這個寄存器對應(yīng)2個寄存器：一個是我們可以可以寫入或讀出的寄存器，稱為預(yù)裝載寄存器，另一個是我們看不見的、無法真正對其讀寫操作的，但在使用中真正起作用的寄存器，稱為影子寄存器.

數(shù)據(jù)手冊介紹預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容可以隨時傳送到影子寄存器，即兩者是連通的(permanently)，或者在每一次更新事件(UEV)時才把預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容傳送到影子寄存器。

原文如下：

The auto-reload register is preloaded. Writing to or reading from the auto-reload register accesses the preload register. The content of the preload register are transferred into the shadow register permanently or at each update event (UEV), depending on the auto-reload preload enable bit (ARPE) in TIMx_CR1 register. The update event is sent when the counter reaches the overflow (or underflow when downcounting) and if the UDIS bit equals 0 in the TIMx_CR1 register. It can also be generated by software. The generation of the update event is described in detailed for each configuration.

在圖中的，表示對應(yīng)寄存器的影子寄存器可以在發(fā)生更新事件時，被更新為它的預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容；而圖中的部分，表示對應(yīng)的自動重載寄存器可以產(chǎn)生一個更新事件(U)或更新事件中斷(UI)。

設(shè)計預(yù)裝載寄存器和影子寄存器的好處是，所有真正需要起作用的寄存器(影子寄存器)可以在同一個時間(發(fā)生更新事件時)被更新為所對應(yīng)的預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容，這樣可以保證多個通道的操作能夠準(zhǔn)確地同步。如果沒有影子寄存器，軟件更新預(yù)裝載寄存器時，則同時更新了真正操作的寄存器，因為軟件不可能在一個相同的時刻同時更新多個寄存器，結(jié)果造成多個通道的時序不能同步，如果再加上例如中斷等其它因素，多個通道的時序關(guān)系有可能會混亂，造成是不可預(yù)知的結(jié)果。

2.預(yù)分頻寄存器

預(yù)分頻器可以將計數(shù)器的時鐘頻率按1到65536之間的任意值分頻。它是基于一個在TIMx_PSC寄存器中的16位寄存器控制的16位計數(shù)器。因為這個控制寄存器帶有緩沖器，它能夠在運(yùn)行時被改變。新的預(yù)分頻器的參數(shù)在下一次更新事件到來時被采用。

下面給出了在預(yù)分頻器運(yùn)行時，更改計數(shù)器參數(shù)的例子

當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到2時，計數(shù)器的時序圖如下：

當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到4時，計數(shù)器的時序圖如下：

預(yù)分頻寄存器各位的描述如下：

位15:0 PSC[15:0]：預(yù)分頻值

計數(shù)器的時鐘頻率（CK_CNT）等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。

PSC的值保存在預(yù)分頻寄存器的預(yù)裝載寄存器中，在每次更新事件時加載至影子寄存器.

3.計數(shù)器寄存器

高級定時器計數(shù)模式：在向上計數(shù)模式中，計數(shù)器從0計數(shù)到自動加載值(TIMx_ARR計數(shù)器的內(nèi)容)，然后重新從0開始計數(shù)并且產(chǎn)生一個計數(shù)器溢出事件。

如果使用了重復(fù)計數(shù)器功能，在向上計數(shù)達(dá)到設(shè)置的重復(fù)計數(shù)次數(shù)(TIMx_RCR)時，產(chǎn)生更新事件(UEV)；否則每次計數(shù)器溢出時才產(chǎn)生更新事件。

在事件產(chǎn)生寄存器寄存器中(通過軟件方式或者使用從模式控制器)設(shè)置UG位也同樣可以產(chǎn)生一個更新事件。 設(shè)置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位，可以禁止更新事件；這樣可以避免在向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時更新影子寄存器。在UDIS位被清’0’之前，將不產(chǎn)生更新事件。但是在應(yīng)該產(chǎn)生更新事件時，計數(shù)器仍會被清’0’，同時預(yù)分頻器的計數(shù)也被請0(但預(yù)分頻器的數(shù)值不變)。此外，如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求)，設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV，但硬件不設(shè)置UIF標(biāo)志(即不產(chǎn)生中斷或DMA請求)。這是為了避免在捕獲模式下清除計數(shù)器時，同時產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當(dāng)發(fā)生一個更新事件時，所有的寄存器都被更新，硬件同時(依據(jù)URS位)設(shè)置更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)。

● 重復(fù)計數(shù)器被重新加載為TIMx_RCR寄存器的內(nèi)容。

● 自動裝載影子寄存器被重新置入預(yù)裝載寄存器的值(TIMx_ARR)。

● 預(yù)分頻器的緩沖區(qū)被置入預(yù)裝載寄存器的值(TIMx_PSC寄存器的內(nèi)容)。

下面給出一些例子，當(dāng)TIMx_ARR=0x36時計數(shù)器在不同時鐘頻率下的動作。

內(nèi)部時鐘分頻因子為1 時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為2 時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為4時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為N時的計數(shù)器時序圖如下：

當(dāng)ARPE=0時的更新事件(TIMx_ARR沒有預(yù)裝入) 時的計數(shù)器時序圖如下：

當(dāng)ARPE=1時的更新事件(TIMx_ARR預(yù)裝入) 時的計數(shù)器時序圖如下：

在向下模式中，計數(shù)器從自動裝入的值(TIMx_ARR計數(shù)器的值)開始向下計數(shù)到0，然后從自動裝入的值重新開始并且產(chǎn)生一個計數(shù)器向下溢出事件。

如果使用了重復(fù)計數(shù)器，當(dāng)向下計數(shù)重復(fù)了重復(fù)計數(shù)寄存器(TIMx_RCR)中設(shè)定的次數(shù)后，將產(chǎn)生更新事件(UEV)，否則每次計數(shù)器下溢時才產(chǎn)生更新事件。

在TIMx_EGR寄存器中(通過軟件方式或者使用從模式控制器)設(shè)置UG位，也同樣可以產(chǎn)生一個更新事件。

設(shè)置TIMx_CR1寄存器的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會產(chǎn)生更新事件。然而，計數(shù)器仍會從當(dāng)前自動加載值重新開始計數(shù)，并且預(yù)分頻器的計數(shù)器重新從0開始(但預(yù)分頻系數(shù)不變)。

此外，如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ，設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV但不設(shè)置UIF標(biāo)志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求)，這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計數(shù)器時，同時產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當(dāng)發(fā)生更新事件時，所有的寄存器都被更新，并且(根據(jù)URS位的設(shè)置)更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設(shè)置。

● 重復(fù)計數(shù)器被重置為TIMx_RCR寄存器中的內(nèi)容

● 預(yù)分頻器的緩存器被加載為預(yù)裝載的值(TIMx_PSC寄存器的值)。

● 當(dāng)前的自動加載寄存器被更新為預(yù)裝載值(TIMx_ARR寄存器中的內(nèi)容)。

注：自動裝載在計數(shù)器重載入之前被更新，因此下一個周期將是預(yù)期的值。

下面是一些當(dāng)TIMx_ARR=0x36時，計數(shù)器在不同時鐘頻率下的動作。

內(nèi)部時鐘分頻因子為1 時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為2 時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為4時的計數(shù)器時序圖如下：

內(nèi)部時鐘分頻因子為N時的計數(shù)器時序圖如下：

當(dāng)沒有使用重復(fù)計數(shù)器時的更新事件時的計數(shù)器時序圖：

中央對齊模式(up/down counting) 在中央對齊模式，計數(shù)器從0開始計數(shù)到自動加載的值(TIMx_ARR寄存器)−s211，產(chǎn)生一個計數(shù)器溢出事件，然后向下計數(shù)到1并且產(chǎn)生一個計數(shù)器下溢事件；然后再從0開始重新計數(shù)。

在此模式下，不能寫入TIMx_CR1中的DIR方向位。它由硬件更新并指示當(dāng)前的計數(shù)方向。

可以在每次計數(shù)上溢和每次計數(shù)下溢時產(chǎn)生更新事件；也可以通過(軟件或者使用從模式控制器)設(shè)置TIMx_EGR寄存器中的UG位產(chǎn)生更新事件。然后，計數(shù)器重新從0開始計數(shù)，預(yù)分頻器也重新從0開始計數(shù)。

設(shè)置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免在向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會產(chǎn)生更新事件。然而，計數(shù)器仍會根據(jù)當(dāng)前自動重加載的值，繼續(xù)向上或向下計數(shù)。 此外，如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ，設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV但不設(shè)置UIF標(biāo)志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求)，這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計數(shù)器時，同時產(chǎn)生更新和捕獲中斷。

當(dāng)發(fā)生更新事件時，所有的寄存器都被更新，并且(根據(jù)URS位的設(shè)置)更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設(shè)置。