STM32G431定时器高级编程：掌握这些技巧，效率翻倍！


参考资源链接：[STM32G431开发板详解：接口与芯片原理图指南](https://wenku.csdn.net/doc/6462d47e543f844488995d9c?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32G431定时器概述与基础

STM32G431系列微控制器拥有丰富的定时器模块，这些模块在实时应用中发挥着重要作用。本章节将概述STM32G431定时器的基本概念，包括其类型和应用场景，以及定时器在嵌入式系统中的重要性。

## 1.1 定时器类型和应用场景

STM32G431定时器支持多种模式，包括基本计时、PWM输出、输入捕获等。这些定时器功能广泛应用于电机控制、通信协议同步、信号测量等领域。理解这些基本功能有助于设计师在项目中合理地使用定时器来实现精确的时间控制和事件处理。

## 1.2 定时器在嵌入式系统中的重要性

在嵌入式系统中，定时器是实现时间管理的关键组件。它们不仅能够提供精确的时间基准，还能执行周期性任务、产生中断信号以及测量外部事件持续时间等。随着系统复杂度的增加，定时器的高效运用可以显著提升系统的响应速度和资源利用率。

## 1.3 定时器与实时性要求

在实时操作系统中，定时器是确保任务及时执行的基石。STM32G431的定时器能够支持实时中断，确保关键任务不会因为其他操作的延迟而错过执行时机。合理配置定时器的时钟源、预分频器和中断优先级，可以有效地控制任务的实时性。

接下来，我们将深入探讨STM32G431定时器的工作原理，并提供详细配置方法和编程实践，帮助读者充分利用定时器的强大功能。

# 2. 深入理解STM32G431定时器的工作原理

### 定时器的硬件结构与功能

#### 定时器的主要组件

STM32G431系列微控制器中的定时器是一种灵活的计时器，用于生成精确的时间基准。其核心组件包括计数器、预分频器、捕获/比较单元、输入/输出端口以及中断和 DMA 控制逻辑。

计数器是定时器的核心，用于从 0 开始计数直到达到预设的值（自动重装载值），然后根据配置重新开始计数。计数器可以向上计数（递增）、向下计数（递减）或中心对齐计数（中心对齐模式）。

预分频器用于控制计数器的时钟频率。它接受定时器的输入时钟（通常是系统时钟或其分频值），并将其降低到所需频率。这个过程是可配置的，预分频值可以在 1 到 65536 之间选择。

#### 定时器的时钟源和预分频

定时器可以配置为使用不同的时钟源，例如内部时钟、外部时钟或内部的低速时钟（LSI）。这允许在不同的应用场景中，从最基本的计时到复杂的定时控制，都能够灵活配置。

在定时器的配置过程中，时钟源和预分频器的设置是非常关键的步骤，因为它们直接决定了计数器的计数频率和分辨率。预分频器的选择尤其重要，因为它可以在不改变时钟源的情况下，对计数器的时钟频率进行分频。

在实际应用中，若需一个低频率的计数器，可以设置较大的预分频值；若需要高精度计时，可以选择较小的预分频值或者直接使用系统时钟作为定时器时钟源。

// 伪代码示例，设置定时器时钟源和预分频
TIM_HandleTypeDef htim; // 定时器句柄

// 初始化定时器时钟源为系统时钟
htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

// 设置预分频值
htim.Init.Prescaler = (SystemCoreClock / 1000000) - 1; // 预分频值，设置计数器时钟为1MHz

// 应用设置并启动定时器
HAL_TIM_Base_Init(&htim);
HAL_TIM_Base_Start(&htim);

### 定时器的中断机制

#### 中断向量和优先级配置

中断机制是现代微控制器中不可或缺的一部分，STM32G431同样提供了强大的中断系统。对于定时器而言，当中断事件（如计数器溢出）发生时，定时器会通过其对应的中断向量发送一个信号到CPU。中断向量是一个预设的内存地址，当中断发生时，处理器会跳转到该地址对应的中断服务程序执行处理。

中断优先级决定了当多个中断同时发生时，哪些中断会被优先处理。STM32G431允许用户为每个中断源配置不同的优先级，并通过中断优先级分组来解决优先级冲突。

// 代码示例：配置定时器中断优先级
NVIC_SetPriority(TIMx_IRQn, 0); // 设置定时器x的中断优先级，数值越小优先级越高
NVIC_EnableIRQ(TIMx_IRQn);      // 使能定时器x的中断

// 中断服务函数的原型
void TIMx_IRQHandler(void)
{
  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htimx, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET) // 检查更新中断标志位
  {
    if (__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&htimx, TIM_IT_UPDATE) != RESET) // 检查更新中断使能
    {
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htimx, TIM_IT_UPDATE); // 清除中断标志位
      // 用户代码：处理定时器溢出事件
    }
  }
}

#### 中断服务程序的编写

中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）是当中断发生时，由处理器执行的一段代码。对于定时器而言，中断服务程序常常用于处理定时任务，比如读取定时器的当前值或重置定时器。

在编写中断服务程序时，应当注意效率和执行时间。因为中断服务程序的执行会暂时中断主程序的运行，所以需要尽快完成必要的处理并返回。对于处理时间较长的任务，可以使用标志位来通知主程序进行处理。

#### 实际中断编程实例

以下是一个定时器中断服务程序的实例，它在定时器溢出时更新一个全局计数器，并在计数器值为100时，执行一个特定任务。

#include "stm32g4xx_hal.h"

volatile uint32_t overflowCount = 0; // 定时器溢出计数

// 定时器中断服务函数
void TIMx_IRQHandler(void)
{
  HAL_TIM_IRQHandler(&htimx); // 系统提供的中断服务函数框架

  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htimx, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
  {
    if (__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&htimx, TIM_IT_UPDATE) != RESET)
    {
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htimx, TIM_IT_UPDATE);
      overflowCount++; // 增加溢出计数

      if (overflowCount >= 100)
      {
        overflowCount = 0;
        // 执行特定任务：例如，闪烁LED
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOx, GPIO_PIN_x);
      }
    }
  }
}

在实际开发中，确保合理使用中断和全局变量，避免长时间占用中断服务程序，以免影响系统的实时性。

### 定时器的寄存器配置

#### 核心寄存器的介绍

定时器的配置和操作都是通过对其寄存器的读写来完成的。STM32G431微控制器具有丰富的寄存器集合，其中核心寄存器包括：

- 控制寄存器（CR）：用于控制定时器的启动、停止、计数模式等。
- 预装载寄存器（PSC）：预分频器的值，用于设置计数频率。
- 计数器寄存器（CNT）：包含当前计数值。
- 自动重装载寄存器（ARR）：定义了计数器的自动重装载值。

// 伪代码示例，设置定时器预分频和重装载值
uint32_t pscValue = (SystemCoreClock / 1000000) - 1; // 预分频值，计数频率为1MHz
uint32_t arrValue = 1000 - 1; // 自动重装载值，定时器溢出时间为1ms

htim.Init.Prescaler = pscValue;
htim.Init.Period = arrValue;

HAL_TIM_Base_Init(&htim); // 初始化定时器基础配置

#### 配置过程的逐步解析

配置定时器的步骤通常包括初始化定时器结构体，设置相关参数，以及启用定时器和其中断功能。

1. 初始化定时器句柄，这通常包含了基础的计时模式配置。
2. 设置预分频器和自动重装载值，这两个参数一起定义了定时器的工作频率和计数范围。
3. 启用定时器中断，并设置适当的中断优先级。
4. 启动定时器计数。

// 代码示例，启动定时器
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim); // 启动定时器，并使能中断

#### 高级功能寄存器的应用

除了基本的定时功能，STM32G431的定时器还提供了许多高级功能，如输出比较、输入捕获、PWM模式等，这些都需要通过高级功能寄存器来配置。例如，若要配置定时器为PWM模式，就需要使用捕获/比较使能寄存器（CCER）和捕获/比较模式寄存器（CCMR）来设置输出模式和极性。

// 代码示例，配置定时器为PWM模式
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // 配置为PWM模式1
sConfigOC.Pulse = 500; // 设置PWM占空比为50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 输出极性高
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; // 关闭快速模式

HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); // 配置定时器的通道1为PWM模式

高级功能寄存器的正确配置对于定时器功能的实现至关重要。理解这些寄存器的功能和它们之间的相互作用，可以让我们更好地利用STM32G431定时器的高级特性。

# 3. STM32G431定时器编程实践

本章节将基于STM32G431微控制器的定时器功能，提供实际编程的详细说明。我们将探讨如何利用定时器实现基本计时、PWM输出以及输入捕获等功能，并通过代码示例进行实际演示。

## 3.1 定时器的基本计时功能

### 3.1.1 定时器的初始化和启动

首先，我们来看如何初始化并启动一个定时器。初始化步骤包括配置时钟源、预分频器、计数值以及中断（如果需要）。以下是初始化和启动定时器的基本步骤。

#include "stm32g4xx_hal.h"

void TIM_Config(void)
{
    TIM_HandleTypeDef htim1;

    // 1. 初始化定时器句柄结构体
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = (uint32_t)((SystemCoreClock / 2) / 1000000) - 1; // 预分频器值，设定定时器时钟为1MHz
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数模式
    htim1.Init.Period = 1000 - 1; // 自动重装载值，产生1ms的定时器周期
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频因子
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0; // 重复计数器

    // 2. 调用HAL库函数初始化定时器
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
    {
        // 初始化失败处理
    }

    // 3. 配置中断（如果需要）
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_UP_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_UP_IRQn);
}

int main(void)
{
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    TIM_Config(); // 配置定时器

    // 4. 启动定时器
    if (HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1) != HAL_OK)
    {
        // 启动失败处理
    }

    while (1)
    {
        // 主循环
    }
}

// 定时器中断服务函数
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);
}

// 定时器中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM1)
    {
        // 1ms定时器中断事件处理
    }
}

在上面的代码块中，我们使用了HAL库来初始化和配置TIM1定时器。`Prescaler` 和 `Period` 的值决定了定时器的计数频率和溢出时间。在本例中，`Prescaler` 设置为使得定时器的输入时钟为1MHz，而 `Period` 设置为1000-1，意味着定时器每计数1000次产生一次更新事件，从而产生1ms的定时周期。

### 3.1.2 简单定时任务的实现

接下来，我们将通过一个简单的例子来演示如何利用定时器执行定时任务。

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    static uint32_t counter = 0;
    if (htim->Instance == TIM1)
    {
        counter++;
        if (counter >= 1000) // 每1秒执行一次
        {