定时器简介

TIM(Timer定时器)简介

在第一部分,我们主要讲的是定时器基本定时的功能，也就是定一个时间，然后让定时器每隔这个时间产生一个中断，来实现每隔一个固定时间执行一段程序的目的，比如你要做个时钟、秒表，或者使用一些程序算法的时候，都需要定时中断的功能，在第二部分，我们主要讲的是定时器输出比较的功能，输出比较这个模块最常见的用途就是产生PWM波形，用手驱动电机等设备，在这个部分，我们将会学习到，使用STM32输出的PWM波形，来驱动舵机和直流电机的例子，在第三部分，我们主要讲的是定时器输入捕获的功能，在这部分，我们将会学习使用输入捕获这个模块来实现测量方波频率的例子，在第四部分，我们再来学习一下定时器的编码器接口，使用这个编码器接口，能够更加方便地读取正交编码器的输出波形，在编码电机测速中，应用也是非常广泛的

使用定时器的外部时钟，可以提供一个更加精准的时钟来计时；或者也可以把外部时钟当做一个计数器，用来统计引脚上电平翻转的次数，毕竟定时器本质上就是一个计数器

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（定时器最基本的功能，就是定时触发中断，定时器也是一个计数器，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，实际就是计时的过程，比如在STM32中，定时器的基准时钟一般都是主频72MHz，如果我对72MHz计72个数，那就是1MHz也就是1us的时间）

16位计数器（这里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（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（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）的时基单元（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、自动重装寄存器都是16位的，2的6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，那定时器的最大的定时时间就是59.65s,接远一分钟），在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时（如果你嫌这个时间还不够长，STM32的定时器还支持级联的模式，也就是一个定时器的输出，当做另一个定时器的输入，最大定时时间就是59.65s再乘以2次65536，8000多年）

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（我们第一部分讲的就是这个定时中断和内外时钟源选择的功能）、输入捕获（第二部分）、输出比较（第三部分）、编码器接口（第四部分）、主从触发模式（第三部分）等多种功能（由手定时器的这个基本结构是非常通用的，很多模块电路都能用到，所以STM32的定时器上拓展了非常多的功能）

根据复杂度和应用场景分为了高级定时器（最复杂）、通用定时器（最常用，课程主要讲这个）、基本定时器（最简单）三种类型

类型	编号	总线	功能
高级定时器	TIM1、TIM8	APB2	拥有通用定时器全部功能，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(这些功能主要是为了三相无刷电机的驱动设计的，本门课程不涉及)
通用定时器	TIM2、TIM3、TIM4、TIM5	APB1	拥有基本定时器全部功能，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、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（这是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，在某些情景下将会极大地减轻CPU的负担）

编号：因为同一个芯片一般都有很多个定时器。所以TIM后面会跟一个数字

除了TIM1_{8，在库函数中还出现了TIM9}11等等（这些用不到）

其中，高级定时器连接的是性能更高的APB2总线(这个在RCC开启时钟的时候要注意一下)

STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4（没有基本定时器，不同型号定时器的数量是不同的）

三种定时器的结构和功能

下面那三个寄存器构成时基单元，预分频器之前，连接的就是基准计数时钟的输入，最终来到了这个位置，由于基本定时器只能选择内部时钟，所以你可以直接认为，这根线直接连到了输入端的这里，也就是内部时钟CK_INT，内部时钟的来源是RCC_TIMxCLK，这里的频率值一般都是系统的主频72MHz，预分频器可以对这个72MHz的计数时钟进行预分频，寄存器写0那就是不分频(输出频率=输入频率=72MHz)，写1就是二分频(输出频率=输入频率=36MHz)，写2就是三分频，以此类推（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，当自增到目标值时，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（也是16位）了，当计数值等于自动重装值时，也就是计时时间到了，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

上图画的一个向上的折线箭头，就代表这里会产生中断信号，上面这种中断，我们一般把它叫作“更新中断”，这个I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

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做“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

主模式触发DAC的作用：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来触发一次DAC,让它输出下一个电压点，我们一般的思路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手频繁被中断的状态，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这个定时器的更新事件，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，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

中间最核心的部分还是时基单元，不过对于通用定时器而言，这个计数器的计数模式就不止向上计数（计数器从0开始，向上自增，计到重装值，清零同时申请中断，然后循环）这一种了，通用定时器和高级定时器还支持向下计数模式（从重装值开始，向下自减，减到0后，回到重装值同时申请中断，然后循环）和中央对齐模式（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，然后循环）

时基单元上面那一坨结构偶就是内外时钟源选择（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，到了通用定时器这里，时钟源不仅可以选择内部的72MHz时钟，还可以选择外部时钟，第一个外部时钟就是来自TIMx_ETR引脚上的外部时钟,这个ETR(External)引脚的位置，可以参考一下引脚定义表，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，这两块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，所以难免会有毛刺，那这些电路就可以对输入的波形进行滤波，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，就把这个定时器当做计数器来用的话，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”）和主从触发模式的结构了

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，本小节我们讲的是这个触发输入作为外部时钟来使用的情况，暂且就可以把这个TRGI当做外部时钟的输入来看，当这个TRGI当做外部时钟来使用的时候，这一路就叫做“外部时钟模式1”，那通过这一路的外部时钟都有哪些呢？第一个就是ETR引脚的信号（既可以通过上面一路来当作时钟，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，从右上可以看出，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ITRO到ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出

具体怎么连接的，手册有一张表

TIM2的ITR0是接在了TIM1的TRGO上的，ITR1接在了TIM8的TRGO上and so on

通过这一路我们就可以实现定时器级联的功能，比如我可以先初始化TIM3,然后使用主模式把它的更新事件映射到TRGO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

这里还可以选择TI1F_ED，这里连接的是输入捕获单无的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是连接到了这里，就是CH1引脚的时钟

外部时钟模式1的输入就介绍完了 ，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，一般情况下外部时钟通过ETR引脚就可以了,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

右边那里就是定时器的主模式输出了，这部分的电路可以把内部的一些事件映射到这个TRGO引脚上，比如我们刚才讲基本定时器分析的，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，用于触发其它定时器，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

然后是下面的电路，这一部分主要包含了两块电路，右边这一块是输出比较电路，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，本节主要讲的是定时中断和内外时钟源选择，也用不到这部分电路

带黑色阴影的都带有影子寄存器这样的缓冲寄存器，并且这个缓冲寄存器是用还是不用，是可以自己设置的

高级定时器目前用不到，暂时咱们不学了

定时中断的基本结构

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，向上或者向下计数等等吗，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，第一个程序定时器定时中断就是用的内部时钟这一路，第二个定时器外部时钟就是用的外部时钟模式2这一路，当然还可以选择这里的触发输入当做外部时钟，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；编码器模式一般是编码器独用的模式，普通的时钟用不到这个，右边这里，就是计时时间到，产生更新中断后的信号去向，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需要申请中断，不仅更新要申请中断，这里触发信号也会申请中断，还有下面的输入捕获和输出比较匹配时也会申请，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

时基单元运行的一些细节问题

预分频器时序

第一行是CK_PSC,预分频器的输入时钟，一般是72MHz

下面的CNT_EN，计数器使能，高电平计数器正常运行，低电平计数器停止、

CK_CNT：计数器时钟，它既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入

ARR自动重装值就是FC，当计数值计到和重装值相等，并目下一个时钟来临时，计数值才清零

下面那三行时序，这三行时序是什么意思呢？

这里描述的其实是这个预分频寄存器的一种缓冲机制，也就是这个预分频寄存器实际上是有两个，一个是预分频控制寄存器，供我们读写用的，它并不直接决定分频系数，另外还有一个缓冲寄存器（影子寄存器），这个缓冲寄存器才是真正起作用的寄存器，比如我们在某个时刻，把预分频寄存器由0改成了1，如果在此时立刻改变时钟的分频系数，那么就会导致，在一个计数周期内，前半部分和后半部分的频率不一样，计数计到一半，计数频率突然就会改变，这虽然一般并不会有什么问题，但是STM32的定时器比较严谨，设计了这个缓冲寄存器，当我在计数计到一半的时候改变了分频值，这个变化并不会立刻生效，而是会等到本次计数周期结束时，产生了更新事件，预分频寄存器的值才会被传递到缓冲寄存器里面去，才会生效，最后这里，预分频器内部实际上也是靠计数来分频的，当预分频值为0时，计数器就一直为0，直接输出原频率，当预分频值为1时，计数器就0、1、0、1、0,、1、0、1这样计数，回到0的时候，就输出一个脉冲，这样输出频率就是输入频率的二分频，预分频器的值和实际的分频系数之间有一个数的偏移

计数器计数频率：$CK\_CNT=CK\_PSC/(PSC+1)$

计数器溢出频率：$CK\_CNT\_OV=CK\_CNT/(ARR+1)=CK\_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)$

用72MHz/(PSC+1)/(ARR+1)就能得到溢出频率

计数器无预装时序（无影子寄存器）

通过设置这个ARPE位，就河以选择是否使用预装功能

我突然更改了自动加载寄存器，就是自动重装寄存器，由FF改成了36，那计数值的目标值就由FF变成了36，所以这里计到36之后，就直接更新，开始下一轮计数

计数器有预装时序（有影子寄存器）

这个影子寄存器才是真正起作用的，引入影子寄存器的目的实际上是为了同步，就是让值的变化和更新事件同步发生，防止在运行途中更改造成错误

如果这张图里面没有影子寄存器的话，F5改到36立刻生效，但此时计数值已经到了F1，已经超过36了，所以会加到FFFF，然后再从0加到36

RCC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，我们之前说过，程序中主函数之前还会执行一个SystemInit函数，这个函数就是用来配置这个时钟树的，这个结构看上去挺复杂的，配置起来还是比较麻烦的，不过好在ST公司已经帮我们写好了配置这个时钟树的SystemInit函数

左边的都是时钟的产生电路，右边的都是时钟的分配电路，中间的这个SYSCLK就是系统时钟72MHz，在时钟产生 电路有4个震荡源，分别是内部的8MHz高速RC振荡器，外部的4-16MHz高速石英晶体振荡器，也就是晶振，一般都是接8MHz，外部的32.768KHz低速晶振，这个一般是给RTC提供时钟的，最后是内部的40KHz低速RC振荡器，这个可以给看门狗提供时钟，上面这两个高速晶振，是用来提供系统时钟的，我们的AHB、APB2、APB1的时钟都是来源于这两个高速晶振，这里内部和外部都有一个8MHz的晶振，都是可以用的，只不过是外部的石英振荡器比内部的RC振荡器更加稳定，所以我们一般使用外部晶振，但是如果你系统很简单并且不需要那么精准的时钟，那也是可以使用内部RC振荡器的，这样就可以省下外部晶振的电路了，那在SystemInit函数里，ST是这样来配置时钟的，首先启动内部时钟，选择内部8MHz为系统时钟，暂时以内部的8MHz的时钟运行，然后在启动外部时钟，配置外部时钟走着一路（进入PLL锁相环进行倍频，8MHz倍频9倍，得到72MHz，等到锁相环输出稳定后，选择锁相环输出为系统时钟，这样就把系统时钟由8MHz切换为了72MHz）；如果你的外部晶振出问题了，可能会导致一个现象，你会发现你程序的时钟大概慢了10倍（自己用定时器定了1s的时间，结果过了大概10s才进中断，如果外部晶振出问题了，系统时钟就无法切换到72MHz，那它就会以内部的8MHz运行，8M相比较72M,大概就慢了10倍 ）

这里还有个CSS(Clock Security System)，这个是时钟安全系统，它也是负责切换时钟的，它可以监测外部时钟的运行状态，一但外部时钟失效，它就会自动把外部时钟切换回内部时钟，保证系统时钟的运行，防止程序卡死造成事故，在高级定时器这里，也有CSS的身影，在这个刹车输入这里，一但CSS检测到外部时钟失效，这里通过或门，就会立刻反应到输出比较这里，让这个输出控制的电机立刻停止，防止意外，这就是STM32里面的一些安全保障措施

接下我们再看一下这右边的时钟分配电路，首先系统时钟72MHz进入AHB总线，AHB总线有个预分频器，在SystemInit里配置的分频系数为1，那AHB的时钟就是72MHz，然后进入APB1总线，这里配置的分频系数是2，所以APB1总线的时钟为72MHz/2=36MHz，通用定时器和基本定时器是接在APB1上的，而APB1的时钟是36MHz，按理说它们的时钟应该是36MHz，但是我们在说定时器的时候，一直都说的是所有定时器的时钟都是72MHz，原因在，下面还有一条支路，上面写的是， 如果APB1预分频系数=1，则频率不变，否则频率x2，然后再看右边，发现这一路是单独为定时器2-7开通的，因为那里预分频系数我们给的是2，所以这里频率要再乘以2，所以通向定时器2-7的时钟，就又回到了72MHz，所以三种定时器的时钟频率都是72MHz，当然前提是你不乱改它SystemInit里面的默认配置，要是改了，这里的时钟还得再另行分析

然后我们再看一下下面，APB2的时钟，这里给的分频系数为1，所以APB2的时钟和AHB一样，都是72MHz，这里接在APB2上的高级定时器也单开了一路，上面写的也是如果APB2预分频系数=1，则频率不变，否则频率x2，但是这里APB2的预分频系数就是1，所以频率不变，定时器1和8的时钟就是72MHz，那在这些时钟输出这里，都有一个与门进行输出控制，控制位写的是外部时钟使能，这就是我们在程序中写RCC_APB2/1PeriphClockCmd作用的地方，打开时钟，就是在这个位置写1，让左边的时钟能够通过与门输出给外设

剩下的还有一些给ADC、SDIO等等这些提供时钟的电路，因为目前用不上，后面自己看看