STM32固件库（标准外设库）入门学习第六章TIM定时器（一）

文章目录

STM32固件库（标准外设库）入门学习第六章TIM定时器（一）
前言
一、定时器类型
- 1 基本定时器
- 2 通用定时器
- 3 高级定时器
二、定时器定时中断
- 1 定时中断基本结构
- 2 预分频器时序
- 3 计数器时序
- 4 计数器有/无预装时序
- 5 RCC时钟树
- - 5.1 时钟产生电路
  - 5.2 时钟分配电路
总结

前言

本学习教程，参考B站江科大自化协STM32视频，型号为STM32F103C8T6。

TIM（Timer）是STM功能最强大、结构最复杂的一个外设。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。定时器就是一个计数器，当计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟的时候，在对这个基准时钟进行计数的过程，实际上就是一个计时的过程。在STM32中，定时器的基准时钟一般都是主频72MHz，对这72MHz计72个数，那就是1MHz也就是1us的时间；若计72000个数，那就是1KHz也就是1ms的时间。

STM32拥有16位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元。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；自动重装寄存器就是计数的目标值，就是想要计多少时钟去申请中断。这些计数器构成定时器最核心的部分，我们把这一块电路称为时基单元。

这些时基单元里的计数器等都是16位的，2的16次方为65536，也就是若预分频器设置最大，自动重装也设置最大，那在72MHz计数时钟下，定时器可以实现最大59.65s的定时，接近1分钟，计算方法：72M/65536/65536，得到中断频率，然后取倒数，就是59.65多。若觉得定时时间不够长，STM32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，这样加一起，最大时间就是59.656553665536，时间大概为8000多年。若还嫌短，还可以再级联一个定时器，定时时间还会再延长6553665536倍，时间可达34亿万年。

定时器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、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能。由于定时器的基本结构是通用的，很多模块电路都能用到，所以STM32定时器上扩展了非常多的功能。

一、定时器类型

根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型，复杂程度逐渐降低。我们主要学通用定时器。

同一个芯片会有很多定时器，所以TIM后会跟一个数字，数字不同定时器的类型也不同，除了1到8，在库函数中还出现了TIM9、10、11等，这些一般用不到，只需要知道TIM1到8是什么定时器就好了。不同类型定时器所连接的总线也不一样。

STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4。

1 基本定时器

基本定时器拥有定时中断、主模式触发DAC数模转换器的功能。

预分频器、计数器、自动重装载寄存器构成了最基本的计数计时电路，所以这一块电路就做时基单元。

基本定时器只能选择内部时钟，预分频器之前，连接的时基准计数时钟的输入，最终来到输入端的内部时钟（CK_INT），此时钟来源为RCC的TIMxCLK，这个频率值一般都是系统的主频72MHz。

预分频器，对72MHz的计数时钟进行预分频，预分频写0就是1分频，输出72MHz；写1就是2分频，输出36MHz，以此类推，即实际分频系数=预分频器的值+1，分频器最大16位，所以可以写65535，即65536分频。

计数器，对预分频后的计数时钟进行计数操作，计数时钟每来一个上升沿，计数器的值就+1，计数器也是16位，所以里面的值可以从0一直加到65535，再加就会从0开始。计数器的值在计时过程中会不断的自增运行，当自增运行到目标值时，产生中断，完成定时的任务。

自动重装载寄存器，用来存储产生中断的目标值，也是16位，存的就是写入的计数目标，在运行过程中，计数值不断自增，自动重装值是固定的目标，当计数值=自动重装值时，即计时时间到，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。

向上的折线箭头，代表这里会产生一个中断信号，计数值等于自动重装值产生的中断，叫“更新中断”，在之后就会通向NVIC，再配置NVIC的定时器通道，那定时器的更新中断就能得到CPU的响应。

向下的折线箭头，代表会产生一个事件，对应的事件就叫“更新事件”，不会触发中断，但会触发内部其他电路的工作。

主模式触发DAC功能的功能。主从触发模式时定时器的特色，他能让硬件在不受程序的控制下实现自动运行，通过这种方式在某些情境下将会极大地减轻CPU的负担。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，让他输出下一个电压点。若是采用正常的思路，就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，这样会使主程序处于频繁被中断的状态，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，使用此主模式可以把定时器的更新事件，映射到这个触发输出TRGO(Trigger OUT)的位置，再接到DAC的触发转换引脚上，这样定时器的更新就不需要再通过中断来触发DAC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。整个过程无需软件参与，实现硬件的自动化，这就是主模式的作用，当然除了主模式外，还有更多硬件自动化的设计。

2 通用定时器

中间红框是最核心的时基单元，与基本定时器一样**。但是计数模式不仅是向上计数一种，通用定时器和高级定时器还支持向下计数模式和中央对齐模式**。

向下计数模式就是从重装值开始，向下自减，到0后回到重装值并申请中断，然后继续下一轮，依此循环。

中央对齐模式是从0开始，先向上自增，到重装值并申请中断，然后再向下自减，减到0，再申请中断，然后继续下一轮，依次循环。

时基单元上面的结构是内外时钟源选择和主从触发模式的结构。

先看内外时钟源选择**。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**。

外部时钟来源有TIMx_ETR（External）引脚的配置，可以参考一下引脚定义表。

例如在TIM2的ETR引脚，也就是PA0上接一个外部方波时钟，然后配置内部的极性选择、边缘检测和预分频器电路，再配置输入滤波电路，这两块电路可以对外部时钟进行一定的整形，因外这是外部引脚的时钟，所以难免会有毛刺。滤波后的信号，兵分两路，上路ETRF进入触发控制器，紧跟就可以选择作为时基单元的时钟。如果想在ETR外部引脚提供时钟，或者想对ETR时钟进行计数，把这个定时器当做计数器来用的话，那么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”。

TRGI（Trigger IN)也可以提供时钟，从名字上看，主要用作触发输入来使用，这个触发输入可以触发定时器的从模式，后面会有。在这将触发输入作为外部时钟使用的情况，此时这一路就叫做“外部时钟模式1”。通过这一路的外部时钟有以下几路：
（1）ETR引脚的信号。向左看，第一个是ETR引脚的信号，ETR可以走两路进来当作时钟，对于时钟输入而言是等价的，只不过下面这一路的输入会占用触发输入的通道；
（2）ITR信号，这一部份的时钟信号是来自其他定时器的，从右边可以看到主模式的TRGO可以通向其他定时器，通向其他定时器的时候，就接到了其他定时器的ITR引脚上了，ITR0~3分别来自其他4个定时器的TRGO输出。根据参考手册14.4.3 从模式控制寄存器(TIMx_SMCR)可以看到ITR和定时器的连接关系，通过这一路就可以实现定时器级联的功能。

（3）TI1F_ED，这里连接的是输入捕获单元的CH1引脚边沿获得时钟，ED即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。输入捕获和测频率会用到。
（4）TI1FP1和TI2FP2获得。TI1FP1是连接CH1引脚获得时钟，TI2FP2是连接CH2引脚获得时钟。输入捕获和测频率会用到。

内部时钟72MHz这种方式最常用，外部时钟首选TIMx_ETR（External）引脚这一路。

通用定时器主模式输出。可以把定时器内部电路的一些事件，映射到TRGO引脚上，用来触发其他定时器、DAC或ADC，触发输出的范围比基本定时器更广一些。

时基单元下面一部分主要包含右边的输出比较电路，左边的捕获电路。

输出比较电路总共有四个通道，分别对应CH1到CH4的引脚，可用于输出PWM波形，驱动电机。左边这一块是输入捕获电路，也有四个通道，对应也是CH1到CH4的引脚，可用来测量输入方波的频率等，中间的寄存器是捕获/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。

3 高级定时器

对比通用定时器的结构，红框内的部分没什么变化，改动的部分有：

（1）申请中断的地方，增加一个重复次数计数器，有了这个计数器后，就可以实现每隔几个计数周期，才发生一次更新事件和更新中断，相当于输出的更新信号又做了一次分频。对于高级定时器，之前计算的最大定时时间59秒多，在这里需要再×65536，又提升了很多定时时间，这就是重复计数器的工作流程。

（2）其他改动的地方，就是高级定时器对输出比较模块的升级。DTG（Dead Time Generate）死区生成电路，右边的输出引脚由原来的一个变为两个互补的PWM波，这些电路是为了驱动三相无刷电机的。三相无刷电机还是比较常用的，四轴飞行器、电动车的后轮、电钻等里面都会有这个三相无刷电机，因为三相无刷电机的驱动电路一般需要3个桥臂，每个桥臂2个大功率开关管来控制，总共需要6个大功率开关管来控制，所以输出PWM引脚的前三路变为互补的输出，第四路没有变化，因为三相电机只需要三路即可。另外为了防止互补输出的PWM驱动桥臂时，在开关切换的瞬间，由于器件的不理想，造成短暂的直通现象，所以前面加了DTG死区生成电路，在开关切换的瞬间，产生一定时长的死区，让桥臂的上下管全都关断，防止直通现象。最后一部分，就是刹车输入的功能，这个是为了给电机驱动提供安全保障的，若外部引脚BKIN（Break IN）产生了刹车信号，或者内部时钟失效，产生了故障，那么控制电路就会自动切断电机的输出，防止意外的发生。

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;    //脉冲宽度调制模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  //使能输出比较状态
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable; //使能  互补 输出状态
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = Channel1Pulse;  //脉冲 值
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出比较极性低
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;//互补 输出极性高
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;   //MOE=0 设置 TIM1输出比较空闲状态
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;//MOE=0 重置 TIM1输出比较空闲状态
TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //设定好的参数 初始化TIM

二、定时器定时中断

定一个时间，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。比如要做一个时钟、秒表，或者使用一些程序算法的时候，都需要用到定时中断这一功能。

1 定时中断基本结构

时基单元的三个寄存器最重要。

运行控制就是控制寄存器的一些位，比如启动停止、向上或向下计数等，操作这些寄存器就能控制时基单元的运行。

左边是为时基单元提供时钟的部分。

右边就是计时时间到，产生更新中断后的信号去向。在这里如果是高级定时器，还会多一个重复计数器。中断信号会现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。定时器模块有很多地方都要申请中断，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，中断输出控制就是一个中断输出的允许位。如果需要某个中断，就记得允许一下。

2 预分频器时序

（1）CK_PSC：预分频器的输入时钟，内部时钟一般位72MHz。

（2）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。

（3）CK_CNT：计数器时钟，既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入。开始时，计数器未使能，计数器时钟不运行，前半段预分频器系数为1，计数器时钟=预分频器前的时钟；后半段预分频器系数变为2，计数器的时钟=预分频器前时钟的一半。

（4）在计数器时钟的驱动下，计数器寄存器也跟随时钟的上升沿不断自增。在中间这个位置FC之后，计数值变为0。可推断出ARR自动重装值就是FC，当计数值计到和重装值相等，并且下一个时钟来临时，计数值才清零，同时下面产生一个更新事件。

（5）更新事件。

（6）预分频寄存器的一种缓冲机制。预分频寄存器实际上是有两个，一个是预分频控制寄存器，供读写使用，并不直接决定分频系数；另外还有缓冲寄存器，或者叫影子寄存器，缓冲寄存器才是真正起作用的寄存器，比如在某个时刻，把预分频寄存器由0改成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。STM32设计了这个缓冲寄存器，当计数计到一半时改变分频值，这个变化并不会立刻生效，而是会等到本次计数周期结束，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，才会生效。所以在图中看到，即使在计数器中途改变了预分频值，计数频率仍然为原先频率，直到本轮计数完成，在下一轮计数时，改变后的预分频值才起作用。

（7）预分频器的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、0、1这样计数。在回到0的时候输出一个脉冲，这样输出频率就是输入频率的2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)。

3 计数器时序

（1）CK_PSC：预分频器的输入时钟，内部时钟一般位72MHz。

（2）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。

（3）CK_CNT：计数器时钟，既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入。开始时，计数器未使能，计数器时钟不运行。计数器使能后，预分频器系数变为2，计数器的时钟=预分频器前时钟的一半。所以计数器在这个时钟每个上升沿自增，增到0036时，发生溢出，计到0036之后再来一个上升沿，计数器清零，产生一个更新事件脉冲，还会置一个更新中断标志位UIF，此标志位只要置1，就会去申请中断，中断响应后，需要在中断程序中手动清零，这就是计数器的工作流程。

计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1) = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
溢出时间：1/ CK_CNT_OV。

预分频器为了防止计数中途更改数值造成错误，设计了缓冲寄存器，计数器也有。如下图所示，带有黑色阴影的的寄存器都有缓冲机制。所以计数器的ARR自动重装载寄存器，也是有一个缓冲寄存器的，是否使用缓冲寄存器，是可以自己设置的。

4 计数器有/无预装时序

图105即无缓冲寄存器的情况，图106有预装时序，就是有缓冲寄存器的情况，通过设置ARP1位，就可以选择是否使用预装功能。

无预装情况：计数寄存器正在进行自增计数，突然更改了自动加载寄存器，就是自动重装寄存器，由FF改为36，那么此时计数值的目标值就由FF变为36，所以计数器寄存器计到36之后，直接更新，开始下一轮的计数。

有预装的情况：在计数中途突然把计数目标从F5改为36，影子寄存器才是真正起作用的，他还是F5，所以现在的计数目标还是计到F5产生更新事件，同时要更改的36才被传递到影子寄存器，在下一个计数周期，这个更改的36才有效。引入影子计数器的目的实际上是为了同步，即让值得变化和更新事件同步发生，防止在运行途中更改造成错误。如果此时去掉影子寄存器，F5改为36立刻生效，但此时计数值已经到了F1，超过36了，F1只能增加，但目标值36比F1还小，最后F1只能加到FFFF，再回到0，再加到36，才能产生更新，这就会造成一些小问题。

5 RCC时钟树

时钟树就是STM32中用来产生和配置时钟，并且把配置好得时钟发送到各个外设系统。时钟是所有外设运行得基础，时钟也是最先需要配置的东西。前文提到，程序中主函数之前还会执行一个System_Init函数，此函数就是用来配置时钟树。ST公司已经写好配置这个时钟树的System_Init函数。

从AHB左侧画一个界限，左边是时钟的产生电路，右边是时钟的分配电路。

5.1 时钟产生电路

中间的SYSCLK就是系统的时钟72MHz。

内部8MHz高速RC振荡器（HSI RC）。

外部4-16MHz高速石英晶体振荡器（HSE OSC），也就是晶振，一般都是接8MHz。

外部32.768kHz低速晶振（LSE OSC），一般给RTC提供时钟。

内部40 kHz低速RC晶振（LSI RC），给看门狗提供时钟。

内外两个高速晶振是用来提供系统时钟，AHB、APB2、APB1的时钟都是源于这两个高速晶振，内部外部8MHz的晶振，都是可以用的，只不过外部的石英振荡器比内部RC振荡器更加稳定，一般都用外部晶振，当系统很简单而且不需要精确的时钟，也可以使用内部RC振荡器，这样可以省下外部晶振的电路。

System_Init函数首先会启动内部时钟，选择内部8MHz为系统时钟，暂时以此时钟运行，再启动外部时钟，HSE OSC经过PLLXTPRE、PLLSRC选择，进入PLLMUL（PLL锁相环）进行倍频，8*9得到72MHz，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改为72MHz。如果外部时钟出问题了，可能会导致一个现象，程序的时钟慢了大概10倍，比如用定时器定一个1s的时间，结果过了大概10s才进入中断。外部时钟出问题，系统无法切换到72MHz，就会以内部8MHz运行，所以慢了就接近10倍。

CSS（Clock Security System），这个是时钟安全系统，负责切换时钟，可监测外时钟的运行状态，一旦外部时钟失效，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。在高级定时器里，也有CSS的身影，在刹车输入里，一旦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的一些安全保障措施。

5.2 时钟分配电路

首先72MHz系统时钟进入AHB总线。AHB总线有预分频器，在System_Init函数里配置的分配系数为1，AHB时钟就是72MHz；进入APB1总线，配置的分配系数为2，APB1总线时钟为36MHz。

通用定时器和基本定时都是接在APB1上的，而APB1的时钟是36MHz，按理来说他们的时钟也应是36MHz，但是在前文一直说所有的定时器的时钟都是72MHz。原因在于下面的支路，如果APB1预分频系数=1，则频率不变，否则频率*2。预分频系数给了2，频率要再乘2，所以通向定时器2~7的时钟，就又回到了72MHz，这就是之前一直说的所有的定时器的时钟都是72MHz。

APB2的预分频系数为1，所以APB2的时钟和AHB一样，都是72MHz，这里接到APB2上的高级定时器也单开了一路，确保1和8的时钟72MHz。

在时钟输出，都有与门进行输出控制，控制位写的是外部时钟使能，这就是我们程序中写RCC_APB2/1PeriphClockCmd作用的地方，打开时钟就是在外设时钟使能写1，让左边时钟通过与门输出给外设。

总结

本篇主要讲TIM定时器的基础知识，下一节将从代码层面来看