第18章 SysTick—系统定时器

Posted 2020-12-04 firege

本章参考资料《Cortex?-M7内核编程手册》-4.4 章节SysTick Timer(STK)，和4.38章节SHPRx，其中STK这个章节有SysTick的简介和寄存器的详细描述。因为SysTick是属于CM7内核的外设，有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm7.h这个头文件中实现。所以学习SysTick的时候可以参考这两个资料，一个是文档，一个是源码。

18.1  SysTick简介

SysTick—系统定时器是属于CM7内核中的一个外设，内嵌在NVIC中。系统定时器是一个24bit的向下递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，一般我们设置系统时钟SYSCLK等于216MHz。当重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。

因为SysTick是属于CM7内核的外设，所以所有基于CM7内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在CM7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。

18.2  SysTick寄存器介绍

SysTick—系统定时有4个寄存器，简要介绍如下。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。

表 18-1 SysTick寄存器汇总

寄存器名称	寄存器描述
CTRL	SysTick控制及状态寄存器
LOAD	SysTick重装载数值寄存器
VAL	SysTick当前数值寄存器
CALIB	SysTick校准数值寄存器

表 18-2 SysTick控制及状态寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
16	COUNTFLAG	R/W	0	如果在上次读取本寄存器后， SysTick 已经计到 了 0，则该位为 1。
2	CLKSOURCE	R/W	0	时钟源选择位，0=外部时钟，1=处理器时钟AHB
1	TICKINT	R/W	0	1=SysTick倒数计数到 0时产生 SysTick异常请 求，0=数到 0 时无动作。也可以通过读取COUNTFLAG标志位来确定计数器是否递减到0
0	ENABLE	R/W	0	SysTick 定时器的使能位

表 18-3 SysTick 重装载数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	当倒数计数至零时，将被重装载的值

表 18-4 SysTick当前数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	CURRENT	R/W	0	读取时返回当前倒计数的值，写它则使之清零，同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG 标志

表 18-5 SysTick校准数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
31	NOREF	R	0	指示是否有参考时钟提供给处理器 0：提供参考时钟 1：不提供参考时钟 如果器件不提供参考时钟，SYST_CSR.CLKSOURCE标志位为1，不可改写。
30	SKEW	R	1	S指示TENMS的值是否精确 0：TENMS是精确值 1：TENMS不是精确值或者不提供 不精确的TENMS值可以影响作为软件实时时钟节拍器的适用性。
23:0	TENMS	R	0	重新加载 10ms (100Hz) 计时的值, 受系统时钟偏差的错误。如果值读取为零, 校准值未知。

系统定时器的校准数值寄存器在定时实验中不需要用到。有研究过的朋友可以交流，起个抛砖引玉的作用。

18.3  SysTick定时实验

利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。

18.3.1  硬件设计

SysTick属于单片机内部的外设，不需要额外的硬件电路，剩下的只需一个LED灯即可。

18.3.2  软件设计

这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。我们创建了两个文件：bsp_SysTick.c和bsp_ SysTick.h文件用来存放SysTick驱动程序及相关宏定义，中断服务函数放在stm32f7xx_it.c文件中。

1. 编程要点

1、设置重装载寄存器的值

2、清除当前数值寄存器的值

3、配置控制与状态寄存器

2. 代码分析

SysTick 属于内核的外设，有关的寄存器定义和库函数都在内核相关的库文件core_cm7.h中。

SysTick配置库函数

代码 181SysTick配置库函数

1 __STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

 2 {

 3     // 不可能的重装载值，超出范围

 4     if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) {

 5         return (1UL);

 6     }

 7

 8     // 设置重装载寄存器

 9     SysTick->LOAD  = (uint32_t)(ticks - 1UL);

10

11     // 设置中断优先级

12     NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

13

14     // 设置当前数值寄存器

15     SysTick->VAL   = 0UL;

16

17     // 设置系统定时器的时钟源为AHBCLK=180M

18     // 使能系统定时器中断

19     // 使能定时器

20     SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

21                      SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |

22                      SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

23     return (0UL);

24 }

用固件库编程的时候我们只需要调用将SysTick_Config函数封装好的库函数HAL_SYSTICK_Config ()即可，形参ticks用来设置重装载寄存器的值，最大不能超过重装载寄存器的值224，当重装载寄存器的值递减到0的时候产生中断，然后重装载寄存器的值又重新装载往下递减计数，以此循环往复。紧随其后设置好中断优先级，最后配置系统定时器的时钟为216MHz，使能定时器和定时器中断，这样系统定时器就配置好了，一个库函数搞定。

SysTick_Config()库函数主要配置了SysTick中的三个寄存器：LOAD、VAL和CTRL，有关具体的部分看代码注释即可。其中还调用了固件库函数NVIC_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该库函数也在core_m7.h中定义，原型如下：

1 __STATIC_INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)

 2 {

 3    if ((int32_t)IRQn < 0) {

 4    SCB->SHP[(((uint32_t)(int32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] =

 5    (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

 6    } else {

 7    NVIC->IP[((uint32_t)(int32_t)IRQn)] =

 8    (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

 9    }

10 }

因为SysTick属于内核外设，跟普通外设的中断优先级有些区别，并没有抢占优先级和子优先级的说法。在STM32F767中，内核外设的中断优先级由内核SCB这个外设的寄存器：SHPRx（x=1.2.3）来配置。有关SHPRx寄存器的详细描述可参考《Cortex-M7内核编程手册》4.3.8章节。下面我们简单介绍下这个寄存器。

SPRH1-SPRH3是一个32位的寄存器，但是只能通过字节访问，每8个字段控制着一个内核外设的中断优先级的配置。在STM32F767中，只有位7:3这高四位有效，低四位没有用到，所以内核外设的中断优先级可编程为：0~15，只有16个可编程优先级，数值越小，优先级越高。如果软件优先级配置相同，那就根据他们在中断向量表里面的位置编号来决定优先级大小，编号越小，优先级越高。

表 18-6 系统异常优先级字段

异常	字段	寄存器描述
Memory management fault	PRI_4	SHPR1
Bus fault	PRI_5
Usage fault	PRI_6
SVCall	PRI_11	SHPR2
PendSV	PRI_14	SHPR3
SysTick	PRI_15

如果要修改内核外设的优先级，只需要修改下面三个寄存器对应的某个字段即可。

 

图 18-1 SHPR1寄存器

 

图 18-2 SHPR2寄存器

 

图 18-3 SHPR3寄存器

在系统定时器中，配置优先级为(1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL)，其中宏__NVIC_PRIO_BITS为4，那计算结果就等于15，可以看出系统定时器此时设置的优先级在内核外设中是最低的。

1 // 设置系统定时器中断优先级

 2 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

SysTick初始化函数

代码 182 SysTick初始化函数

1 /**

 2   * @brief  启动系统滴答定时器 SysTick

 3   * @param  无

 4   * @retval 无

 5   */

 6 void SysTick_Init(void)

 7 {

 8     /* SystemFrequency / 1000    1ms中断一次

 9      * SystemFrequency / 100000  10us中断一次

10      * SystemFrequency / 1000000 1us中断一次

11      */

12     if (HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / 100000)) {

13         /* Capture error */

14         while (1);

15     }

16 }

SysTick初始化函数由用户编写，里面调用了SysTick_Config()这个固件库函数，通过设置该固件库函数的形参，就决定了系统定时器经过多少时间就产生一次中断。

SysTick中断时间的计算

SysTick定时器的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间T_DEC=1/CLK_AHB，当重装载寄存器中的值VALUE_LOAD减到0的时候，产生中断，可知中断一次的时间T_INT=VALUE_{LOAD *} T_DEC中断= VALUE_LOAD/CLK_AHB，其中CLK_AHB =216MHz。如果设置为216，那中断一次的时间T_INT=216/216MHz =1us。不过1us的中断没啥意义，整个程序的重心都花在进出中断上了，根本没有时间处理其他的任务。

SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000))

SysTick_Config（）的形我们配置为SystemCoreClock / 100000=216MHz /100000=2160，从刚刚分析我们知道这个形参的值最终是写到重装载寄存器LOAD中的，从而可知我们现在把SysTick定时器中断一次的时间T_INT=2160/216MHz =10us。

SysTick定时时间的计算

当设置好中断时间T_INT后，我们可以设置一个变量t，用来记录进入中断的次数，那么变量t乘以中断的时间T_INT就可以计算出需要定时的时间。

SysTick定时函数

现在我们定义一个微秒级别的延时函数，形参为nTime，当用这个形参乘以中断时间T_INT就得出我们需要的延时时间，其中T_INT我们已经设置好为10us。关于这个函数的具体调用看注释即可。

1 /**

 2   * @brief   us延时程序,10us为一个单位

 3   * @param

 4   *   @arg nTime: Delay_us( 1 ) 则实现的延时为 1 * 10us = 10us

 5   * @retval  无

 6   */

 7 void Delay_us(__IO u32 nTime)

 8 {

 9     TimingDelay = nTime;

10

11     while (TimingDelay != 0);

12 }

 

函数Delay_us()中我们等待TimingDelay为0，当TimingDelay为0的时候表示延时时间到。变量TimingDelay在中断函数中递减，即SysTick每进一次中断即10us的时间TimingDelay递减一次。

SysTick中断服务函数

1 void SysTick_Handler(void)

 2 {

 3     TimingDelay_Decrement();

 4 }

中断复位函数调用了另外一个函数TimingDelay_Decrement()，原型如下：

1 /**

 2   * @brief  获取节拍程序

 3   * @param  无

 4   * @retval 无

 5   * @attention  在 SysTick 中断函数 SysTick_Handler()调用

 6   */

 7 void TimingDelay_Decrement(void)

 8 {

 9     if (TimingDelay != 0x00) {

10         TimingDelay--;

11     }

12 }

TimingDelay的值等于延时函数中传进去的nTime的值，比如nTime=100000，则延时的时间等于100000*10us=1s。

主函数

1 int main(void)

 2 {

 3     /* 系统时钟初始化成216 MHz */

 4     SystemClock_Config();

 5     /* LED 端口初始化 */

 6     LED_GPIO_Config();

 7     /* 配置SysTick 为10us中断一次,

 8     时间到后触发定时中断，

 9     *进入stm32f7xx_it.

10     c文件的SysTick_Handler处理，通过数中断次数计时

11     */

12     SysTick_Init();

13

14     while (1) {

15

16         LED_RED;

17         Delay_us(100000);   // 10000 * 10us = 1000ms

18

19         LED_GREEN;

20         Delay_us(100000);   // 10000 * 10us = 1000ms

21

22         LED_BLUE;

23         Delay_us(100000);   // 10000 * 10us = 1000ms

24

25     }

26 }

主函数中初始化了LED和SysTick，然后在一个while循环中以1s的频率让LED闪烁。