第二部分 基础篇 - 第2章 Systick系统定时器

STM32 芯片为了实现低功耗，设计了一个功能完善但却非常复杂的时钟系统。普通的MCU 一般只要配置好 GPIO 的寄存器就可以使用了，但 STM32 还有一个步骤，就是开启外设时钟。

SysTick 定时器被捆绑在 NVIC 中，用于产生 SysTick 异常（异常号 ：15）。在以前，操作系统和所有使用了时基的系统都必须有一个硬件定时器来产生需要的“滴答”中断，作为整个系统的时基。滴答中断对操作系统尤其重要。例如，操作系统可以为多个任务分配不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统 ；或者将每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，操作系统提供的各种定时功能都与这个滴答定时器有关。因此，需要一个定时器来产生周期性的中断，而且最好还让用户程序不能随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节律。
Cortex-M3 在内核部分包含了一个简单的定时器——SysTick。因为所有的 CM3 芯片都带有这个定时器，软件在不同芯片生产厂商的 CM3 器件间的移植工作就得以简化。该定时器的时钟源可以是内部时钟（FCLK，CM3 上的自由运行时钟），或者是外部时钟（ CM3 处理器上的 STCLK 信号）。不过，STCLK 的具体来源则由芯片设计者决定，因此不同产品之间的时钟频率可能大不相同。因此，需要阅读芯片的使用手册来确定选择什么作为时钟源。在 STM32 中 SysTick 以 HCLK（AHB 时钟）或 HCLK/8 作为运行时钟，见图 1- 1。
SysTick 定时器能产生中断，CM3 为它专门开出一个异常类型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系统和其他系统软件在 CM3 器件间的移植变得简单多了，因为在所有 CM3 产品间，SysTick 的处理方式都是相同的。SysTick 定时器除了能服务于操作系统之外，还能用于其他目的，如作为一个闹铃、用于测量时间等。Systick 定时器属于Cortex 内核部件，可以参考《ARM Cortex-M3 权威指南》（（英）JosephYiu 著，宋岩译，北京航空航天大学出版社出版）或“STM32xxx-Cortex-M3programmingmanual”（这是 ST 官方提供的电子版编程手册，可以在 ST 官网下载）来了解。

在传统的嵌入式系统软件按中通常实现 Delay(N) 函数的方法为：

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对于STM32系列微处理器来说，执行一条指令只有几十个 ns，进行 for 循环时，要实现 N 毫秒的 x 值非常大，而且由于系统频率的宽广，很难计算出延时 N 毫秒的精确值。针对 STM32 微处理器，需要重新设计一个新的方法去实现该功能，以实现在程序中使用 Delay(N)。
Cortex-M3 的内核中包含一个 SysTick 时钟。SysTick 为一个 24 位递减计数器，SysTick 设定初值并使能后，每经过 1 个系统时钟周期，计数值就减 1。计数到 0 时，SysTick 计数器自动重装初值并继续计数，同时内部的 COUNTFLAG 标志会置位，触发中断 (如果中断使能情况下)。
在 STM32 的应用中，使用 Cortex-M3 内核的 SysTick 作为定时时钟，设定每一毫秒产生一次中断，在中断处理函数里对 N 减一，在Delay(N) 函数中循环检测 N 是否为 0，不为 0 则进行循环等待；若为 0 则关闭 SysTick 时钟，退出函数。
注： 全局变量 TimingDelay , 必须定义为 volatile 类型 , 延迟时间将不随系统时钟频率改变。
STM32中的Systick 部分内容属于NVIC控制部分，一共有4个寄存器，名称和地址分别是：
 STK_CTRL, 0xE000E010 – 控制寄存器

SysTick 库函数
 SysTick_CLKSourceConfig 设置 SysTick 时钟源；
 SysTick_SetReload 设置 SysTick 重装载值；
 SysTick_CounterCmd 使能或者失能 SysTick 计数器；
 SysTick_ITConfig 使能或者失能 SysTick 中断；
 SysTick_GetCounter 获取 SysTick 计数器的值；
 SysTick_GetFlagStatus 检查指定的 SysTick 标志位设置与否。

在 main 函数中，SysTick_Init() 和 Delay_us() 这两个函数比较陌生，它们的功能分别是配置好 SysTick 定时器和进行精确延时。整个 main 函数的流程就是初始化 LED 及SysTick 定时器之后，就进入死循环，轮流点亮 LED1、LED2、LED3，点亮的时间为精确的 100 ms。

 配置并启动 SysTick
我们看一下 SysTick_Init() 这个函数，其功能是启动系统滴答定时器 SysTick ，并将 SysTick 配置为 10 μs 中断一次。

本函数实际上只是调用了 SysTick_Confi g() 函数，它是属于内核层的 Cortex-M3 通用函数，位于 core_cm3.h 文件中。若调用 SysTick_Confi g() 配置 SysTick 不成功，则进入死循环，初始化 SysTick 成功后，先关闭定时器，在需要的时候再开启。SysTick_Confi g() 函数无法在STM32 外设固件库文件中找到其使用方法。所以我们在 Keil 环境下直接跟踪这个函数到 core_cm3.h 文件，查看函数的定义。

在这个函数定义的前面有关于它的注释，如果我们不想去研究它的具体实现，可以根据这段注释了解函数的功能 ：这个函数启动了 SysTick ；并把它配置为计数至 0 时引起中断 ；输入的参数 ticks 为两个中断之间的脉冲数，即相隔 ticks 个时钟周期会引起一次中断 ；配置 SysTick 成功时返回 0，出错时返回 1。但是，这段注释并没有告诉我们它把 SysTick 的时钟设置为 AHB 时钟还是 AHB/8，这是一个十分关键的问题，于是，我们将对这个函数的具体实现进行分析，与大家再分享一下如何分析底层库函数。分析底层库函数，要有 SysTick 定时器工作分析的知识准备。
 检查输入参数
SysTick_Confi g() 第 3 行代码是检查输入参数 ticks，因为 ticks 是脉冲计数值，要被保存到重载寄存器 STK_LOAD 寄存器中，再由硬件把 STK_LOAD 值加载到当前计数值寄存器 STK_VAL 中使用，STK_LOAD 和 STK_VAL 都是 24 位的，所以当输入参数 ticks 大于其可存储的最大值时，将由这行代码检查出错误并返回。
 位指示宏及位屏蔽宏
检查 ticks 参数没有错误后，就稍稍处理一下把 ticks-1 赋值给 STK_LOAD 寄存器，要注意的是减 1，若 STK_VAL 从 ticks−1 向下计数至 0，实际上就经过了 ticks 个脉冲。这句赋值代码使用了宏 SysTick_LOAD_RELOAD_Msk，与其他库函数类似，这个宏是用来指示寄存器的特定位置或进行位屏蔽的。

其中寄存器位指示宏 ：SysTick_xxx_Pos ，宏展开后即为 xxx 在相应寄存器中的位置，如控制 SysTick 时钟源的 SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos ，宏展开为 2，这个寄存器位正是寄存器 STK_CTRL 中的 Bit2。
而寄存器位屏蔽宏 ：SysTick_xxx_Msk，宏展开是 xxx 的位全部置 1 后，左移SysTick_xxx_Pos 位。如控制 SysTick 时钟源的 SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk，宏展开为“1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos”， 把 无 符 号 长 整 型 数 值（ul） 1 左移 2 位， 得 到 了 一 个 只 有 Bit2 ：CLKSOURCE 位被置 1，其他位为 0 的数值，这样的数值配合位操作 &（按位与）、| （按位或）可以很方便地修改寄存器的某些位。假如控制 CLKSOURCE 需 要 4 个 寄 存 器 位 ， 这 个 宏 就 应 该 被 改 为 （ 0xf ul <

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 定时时间的计算
在调用SysTick_Config()函数时，向它输入的参数为SystemCoreClock / 100000，SystemCoreClock为定义了系统时钟（SYSCLK）频率的 宏，即等于 AHB的时钟频率。在本书的所有例程中AHB 都是被配置为 72 MHz 的，也就是这个 SystemCoreClock 宏展开为数值 7200 0000。
根据前面对 SysTick_Confi g() 函数的介绍，它的输入参数为 SysTick 将要计时的脉冲数，经过 ticks 个脉冲（经过 ticks 个时钟周期）后将触发中断，触发中断后又重新开始计数。由此我们可以算出定时的时间，下面为计算公式 ：
T=ticks×(1/f)
其中，T 为要定时的总时间 ；ticks 为 SysTick_Confi g() 的输入参数 ；1/ f 即为SysTick 使用的时钟源的时钟周期，f 为该时钟源的时钟频率，当时钟源确定后为常数。
例如 ：本实验例子中，使用时钟源为 AHB 时钟，其频率被配置为 72 MHz。调用函数时，把 ticks 赋值为 ticks=SystemFrequency / 10 000 =720，表示 720 个时钟周期中断一次 ；1/f 是时钟周期的时间，此时（1/f =1/72 μs），所以最终定时总时间 T=720×（1/72），为720 个时钟周期，正好是 10 μs。
SysTick 定时器的定时时间（配置为触发中断，即为中断周期）由 ticks 参数决定，最大定时周期不能超过 224 个。
 编写中断服务函数
一旦我们调用了 Delay_us() 函数，SysTick 定时器就被开启，按照设定好的定时周期递减计数，当 SysTick 的计数寄存器的值减为 0 时，就进入中断函数，当中断函数执行完毕之后重新计时，如此循环，除非它被关闭。

使能了 SysTick 之后，就使用 while（TimingDelay != 0）语句等待 TimingDelay 变量变为 0，这个变量是在中断服务函数中被修改的。因此，我们需要编写相应的中断服务程序，在本实验室中我们配置为 10μs 中断一次，每次中断把 TimingDelay 减 1。中断程序在 stm32f10x_it.c 中实现。

SysTick中断属于系统异常向量，在stm32f10x_it.c文件中已经默认有了它的中断服务函数SysTick_Handler()，但内容为空。我们找到这个函数，其调用了用户函数TimingDelay_Decrement()。后者是由用户编写的一个应用程序。

每次进入 SysTick 中断就调用一次 TimingDelay_Decrement()函数，使全局变量TimingDelay 自减一次。用户函数 Delay_us ()在TimingDelay 被减至0时，才退出延时循环，即我们对 TimingDelay 赋的值为要中断的次数。所以总的延时时间 ：
T 延时 = T 中断周期 ×TimingDelay
至此，SysTick 的精确延时功能讲解完毕。