基于Arm Cortex-M的SysTick系统定时器具体使用说明

基于Arm Cortex-M系列内核的MCU，都包含了SysTick定时器。

所谓SysTick即为系统定时器，又称嘀嗒定时器，是Cortex-M内核的一个外设，集成在NVIC中。

SysTick是一个24bit的向下递减的计数器，每计数一次的时间为1/SYSCLK。

它的节拍，就相当于是MCU的心跳，让系统用整齐的步伐，来运行具体的系统和程序。

操作系统需要执行多任务管理，用SysTick产生中断，确保单个任务不会锁定整个系统，同时SysTick还可用于闹钟定时、时间测量等。

GD32F4xx系列是基于Arm® Cortex®-M4处理器的32位通用微控制器，自然也包含了都包含了SysTick。

通过用户手册4.2.1章节，可以了解系统时钟树的具体信息：

其中具体说明如下：

预分频器可以配置 AHB、APB2 和 APB1 域的时钟频率。AHB 和 APB2/APB1 域的最高时率分别为 240 MHz/120 MHz/60 MHz。

RCU 通过 AHB 时钟(HCLK)8 分频后作为 Cortex 系统定时器(SysTick)的外部时钟。

通过对 SysTick 控制和状态寄存器的设置，可选择上述时钟或 AHB(HCLK)时钟作为 SysTick 时钟。

通过硬件开发手册，可以了解到GD32F4xx系列的运行频率：

注意:GD32F405xx/ GD32F407xx系列MCU最高主频为168M;GD32F425xx/ GD32F427xx/ GD32F450xx系列MCU最高主频为200M;GD32F470xx系列MCU最高主频为240M。

从上面的信息可以得知，GD32F427开发板最高运行主频为200MHz。

在开发板系统定义文件system_gd32f4xx.c中，也有如下的定义：

/* select a system clock by uncommenting the following line */
//#define __SYSTEM_CLOCK_IRC16M                   (uint32_t)(__IRC16M)
//#define __SYSTEM_CLOCK_HXTAL                    (uint32_t)(__HXTAL)
//#define __SYSTEM_CLOCK_120M_PLL_IRC16M          (uint32_t)(120000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_120M_PLL_8M_HXTAL        (uint32_t)(120000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_120M_PLL_25M_HXTAL       (uint32_t)(120000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_168M_PLL_IRC16M          (uint32_t)(168000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_168M_PLL_8M_HXTAL        (uint32_t)(168000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_168M_PLL_25M_HXTAL       (uint32_t)(168000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_200M_PLL_IRC16M          (uint32_t)(200000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_200M_PLL_8M_HXTAL        (uint32_t)(200000000)
#define __SYSTEM_CLOCK_200M_PLL_25M_HXTAL       (uint32_t)(200000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_240M_PLL_IRC16M          (uint32_t)(240000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_240M_PLL_8M_HXTAL        (uint32_t)(240000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_240M_PLL_25M_HXTAL       (uint32_t)(240000000)

其中，运行频率定义为200MHz。

通常说的，12MHZ=12×10的6次方，即每秒发出12000000个脉冲信号，那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期，也就是1/12微秒。

那200MHz，每秒就会发出2000000000个脉冲信号，那一个时钟周期，将达到1/200微秒。

那么在GD32F427开发板上，基于SysTick，就能实现us级的精确计时。

在系统内核定义文件core_m4.h中，有关于SySTick的具体定义：

typedef struct
{
  __IO uint32_t CTRL;                    /*!< Offset: 0x000 (R/W)  SysTick Control and Status Register */
  __IO uint32_t LOAD;                    /*!< Offset: 0x004 (R/W)  SysTick Reload Value Register       */
  __IO uint32_t VAL;                     /*!< Offset: 0x008 (R/W)  SysTick Current Value Register      */
  __I  uint32_t CALIB;                   /*!< Offset: 0x00C (R/ )  SysTick Calibration Register        */
} SysTick_Type;

其具体含义如下：

CTRL：控制和状态寄存器，用于使能SysTick计数
LOAD：重装载寄存器，倒计时计数初值
VAL：当前值寄存器，当前计数值
CALIB：校准值寄存器，系统自动配置的

那要使用SysTick，一个基础的用法就是用来做高精度延时：

1 初始化SysTick，并设置重置初值，也就是SysTick->LOAD
2 设置用户计数变量和初值
3 使能SysTick
4 SysTick计数到零，中断触发，用户计数变量递减
5 判断用户计数变量是否归零

在core_m4.h中，提供了SysTick出初始化的调用：

__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
  if ((ticks - 1) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);      /* Reload value impossible */

  SysTick->LOAD  = ticks - 1;                                  /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Systick Interrupt */
  SysTick->VAL   = 0;                                          /* Load the SysTick Counter Value */
  SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                    /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
  return (0);                                                  /* Function successful */
}

从上述代码中可以看到，其将传入的充值初值设置到了SysTick->LOAD，当前计数值SysTick->VAL归零，设置SysTick->CTRL使能中断和定时。

在系统中断服务程序gd32f4xx_it.c中，有关于SysTick中断的调用：

void SysTick_Handler(void)
{
    delay_decrement();
}

我们要使用SysTick，就需要具体定义其具体的处理逻辑，用于用户计数变量的处理。

在演示代码的systick.c中，有如下的定义：

volatile static uint32_t delay;

void delay_decrement(void)
{
    if(0U != delay) {
        delay--;
    }
}

那么，一旦重新使能SysTick定时器，给delay赋一个初值，那么每经过一次SysTick中断触发，就会递减，直到归零为止。

而我们的代码中，就可以通过判断delay的值，来检查是否经过了所需次数的Tick。

因为系统时钟周期为1/200微秒，那么只要设定好合理的Tick重置初值，通过合适的Tick数量，就能实现精确的us计时。

在systick.c中，有演示的SysTick设置：

void systick_config(void)
{
    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts */
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000U)) {
        /* capture error */
        while(1) {
        }
    }
    /* configure the systick handler priority */
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);
}

上述代码中，取系统时钟频率的千分之一进行设置，就使得每计数一千次，刚好经过1秒，那么每一次就是1毫秒。

参考上述代码，编写可以实现us级别的初始化设置：

void systick_config_us(void)
{
    /* SystemCoreClock / 1000    1ms中断一次
     * SystemCoreClock / 100000  10us中断一次
     * SystemCoreClock / 1000000 1us中断一次
     */
    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts */
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000000U)){
        /* capture error */
        while(1){
        }
    }

    // 关闭滴答定时器
    SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    /* configure the systick handler priority */
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);
}

void delay_us(uint32_t count)
{
    delay = count;

    // 使能滴答定时器
    SysTick->CTRL |=  SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    while(0U != delay){
    }
}

在上述代码中，定义了1us中断一次，然后定义了delay_us()函数：

定义用户计数变量初值
使能SysTick定时器
然后检测delay是否归零，归零说明1us时间到达

然后，在程序中，就可以调用上述的初始化函数，以及延时us的操作了。
main.c具体如下：

#include "gd32f4xx.h"
#include "gd32f427v_start.h"
#include "systick.h"

int main(void)
{
    systick_config_us();    //配置系统时钟
    
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);                                                //使能外部时钟

    gpio_mode_set(GPIOC, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_6);                //配置端口模式
    gpio_output_options_set(GPIOC, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);    //输出选项配置
    gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_6);                                                //PC6复位

    while(1) 
    {
        gpio_bit_toggle(GPIOC, GPIO_PIN_6);    //反转PC6
        delay_us(1000*1000);
    }