STM32单片机延时秘籍：揭秘原理、实战、优化策略

# 1. STM32延时的基础原理**

STM32延时是控制程序执行节奏和实现特定时间间隔的重要技术。延时的基本原理是通过软件或硬件机制来消耗特定时间，从而实现程序的暂停或执行特定操作。STM32提供多种延时机制，包括硬件定时器、软件循环延时和汇编指令延时，每种机制都有其独特的特点和应用场景。

# 2. STM32延时编程技巧

在嵌入式系统中，延时操作是必不可少的。STM32微控制器提供了多种延时编程技巧，以满足不同的应用需求。本章将详细介绍硬件定时器延时和软件循环延时两种主要技术。

### 2.1 硬件定时器延时

硬件定时器是STM32微控制器中用于生成精确延时的专用外设。它具有以下优点：

- 精度高：硬件定时器使用内部时钟源，不受系统时钟频率变化的影响。
- 可中断：硬件定时器可以配置为在达到指定时间时产生中断，从而释放CPU资源。
- 多路输出：大多数STM32微控制器有多个硬件定时器，允许同时进行多个延时操作。

#### 2.1.1 定时器配置和中断处理

要使用硬件定时器进行延时，需要首先对其进行配置。配置步骤如下：

1. **时钟使能：**为定时器外设使能时钟。
2. **模式选择：**选择定时器模式（向上计数、向下计数或双向计数）。
3. **预分频器：**设置预分频器值以降低定时器计数频率。
4. **自动重载值：**设置自动重载值以定义定时器溢出间隔。
5. **中断使能：**使能定时器中断，以便在溢出时触发中断服务程序。

配置完成后，需要编写中断服务程序来处理定时器中断。中断服务程序应执行以下操作：

1. 清除中断标志位。
2. 执行延时操作（例如，更新延时计数器）。
3. 重新加载定时器自动重载值。

#### 2.1.2 定时器中断延时函数

基于硬件定时器中断，可以实现一个延时函数：

void delay_ms(uint32_t ms) {
  // 计算定时器溢出次数
  uint32_t overflow_count = ms / (1000 / TIM_CLOCK_FREQ);

  // 设置定时器自动重载值
  TIMx->ARR = TIM_CLOCK_FREQ / 1000 - 1;

  // 清除中断标志位
  TIMx->SR &= ~TIM_SR_UIF;

  // 启动定时器
  TIMx->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

  // 等待中断发生
  while ((TIMx->SR & TIM_SR_UIF) == 0) {}

  // 停止定时器
  TIMx->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN;

  // 计数器溢出次数减 1
  overflow_count--;

  // 如果溢出次数大于 0，则重复延时
  if (overflow_count > 0) {
    delay_ms(overflow_count);
  }
}

**代码逻辑分析：**

- 计算定时器溢出次数，即延时时间除以定时器时钟频率再除以 1000。
- 设置定时器自动重载值为定时器时钟频率除以 1000 减 1，以实现 1ms 延时。
- 清除中断标志位，确保从干净状态开始。
- 启动定时器。
- 等待中断发生，表示 1ms 延时已完成。
- 停止定时器。
- 计数器溢出次数减 1，如果大于 0，则重复延时。

### 2.2 软件循环延时

软件循环延时是一种通过软件循环来实现延时的技术。它具有以下优点：

- 简单易用：无需使用硬件外设，只需要在软件中编写循环即可。
- 灵活：延时时间可以通过调整循环次数来灵活控制。

#### 2.2.1 循环计数延时

循环计数延时是最简单的软件循环延时方法。它通过执行一个空循环来消耗CPU时间，从而实现延时。

void delay_ms(uint32_t ms) {
  for (uint32_t i = 0; i < ms * CYCLES_PER_MS; i++) {
    // 空循环
  }
}

**代码逻辑分析：**

- 循环次数为延时时间乘以每毫秒的循环次数。
- 每毫秒的循环次数是一个常量，由 CPU 时钟频率和循环体执行时间决定。

#### 2.2.2 汇编指令延时

汇编指令延时是另一种软件循环延时方法。它通过使用汇编指令来直接操作 CPU 寄存器，从而实现更精确的延时。

delay_ms:
  mov r0, #ms
  mov r1, #CYCLES_PER_MS
loop:
  sub r0, #1
  cmp r0, #0
  bne loop
  bx lr

**代码逻辑分析：**

- 将延时时间和每毫秒的循环次数加载到寄存器中。
- 进入循环，每次循环将延时时间减 1。
- 比较延时时间是否为 0，如果不是，则继续循环。
- 循环完成后，返回调用函数。

# 3.1 LED闪烁控制

#### 3.1.1 硬件定时器实现

硬件定时器延时是通过配置定时器外设来实现的。STM32系列微控制器有多个定时器外设，可以用来产生精确的延时。

**定时器配置**

首先需要配置定时器外设。以TIM2为例，其配置步骤如下：

1. 启用TIM2时钟：RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
2. 设置定时器时钟源：TIM2->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;
3. 设置定时器时钟分频系数：TIM2->PSC = 7200 - 1;
4. 设置定时器自动重装载值：TIM2->ARR = 1000 - 1;
5. 启用定时器中断：TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;
6. 启用定时器：TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

**中断处理**

定时器中断发生时，需要执行以下操作：

1. 清除中断标志位：TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
2. 执行LED闪烁操作：GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_ODR_12;

**代码示例**

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF)
    {
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
        GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_ODR_12;
    }
}

#### 3.1.2 软件循环实现

软件循环延时是通过执行一个空循环来实现的。循环的次数决定了延时的长度。

**循环计数延时**

循环计数延时的基本原理是利用编译器优化后的循环指令执行时间来计算延时。以1ms延时为例，可以执行以下循环：

void delay_ms(uint32_t ms)
{
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < ms * 1000; i++)
    {
        __asm__("nop");
    }
}

**汇编指令延时**

汇编指令延时是通过执行特定的汇编指令来实现的。汇编指令的执行时间是固定的，因此可以精确控制延时。

以1us延时为例，可以使用以下汇编指令：

__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");
__asm__("nop");

# 4.1 延时精度优化

### 4.1.1 定时器分频和预分频

STM32定时器提供分频和预分频功能，允许对定时器时钟进行缩放，从而提高延时精度。

**分频**

分频器将定时器时钟除以一个预定的因子，从而降低定时器时钟频率。例如，将定时器时钟分频为 10，则定时器的实际时钟频率将降低为系统时钟的十分之一。

**预分频**

预分频器将分频后的时钟再除以一个预定的因子，从而进一步降低定时器时钟频率。例如，将分频后的时钟预分频为 10，则定时器的实际时钟频率将降低为系统时钟的百分之一。

**代码块：**

// 初始化定时器，分频为 10，预分频为 10
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 9;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim.Init.Period = 65535;
htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV10;
HAL_TIM_Base_Init(&htim);

**逻辑分析：**

* `TIM_HandleTypeDef htim;`：声明定时器句柄。
* `htim.Instance = TIM2;`：指定定时器外设为 TIM2。
* `htim.Init.Prescaler = 9;`：设置分频因子为 10（因为分频因子是预分频因子减 1）。
* `htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;`：设置计数模式为向上计数。
* `htim.Init.Period = 65535;`：设置定时器周期为 65535。
* `htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV10;`：设置预分频因子为 10。
* `HAL_TIM_Base_Init(&htim);`：初始化定时器。

### 4.1.2 循环计数延时优化

循环计数延时精度受系统时钟频率和循环计数次数的影响。为了提高精度，可以使用以下优化方法：

**使用定点乘法**

定点乘法将浮点数乘以一个常数，从而将浮点运算转换为整数运算，提高计算速度和精度。

**代码块：**

// 使用定点乘法优化循环计数延时
uint32_t delay_us(uint32_t us) {
  uint32_t cycles = (us * SystemCoreClock) / 1000000;
  for (uint32_t i = 0; i < cycles; i++) {
    __NOP();
  }
}

**逻辑分析：**

* `uint32_t delay_us(uint32_t us);`：声明延时函数，参数为延时微秒数。
* `uint32_t cycles = (us * SystemCoreClock) / 1000000;`：计算延时所需的循环次数，其中 `SystemCoreClock` 为系统时钟频率。
* `for (uint32_t i = 0; i < cycles; i++) {`：使用循环进行延时。
* `__NOP();`：空操作，用于消耗 CPU 周期。

**使用汇编指令**

汇编指令可以提供更精确的循环计数，因为它们直接操作 CPU 寄存器。

**代码块：**

// 使用汇编指令优化循环计数延时
void delay_us_asm(uint32_t us) {
  uint32_t cycles = (us * SystemCoreClock) / 1000000;
  __asm__ volatile("mov r0, %0\n\t"
                   "mov r1, #0\n\t"
                   "loop:\n\t"
                   "add r1, r1, #1\n\t"
                   "cmp r1, r0\n\t"
                   "bne loop\n\t"
                   :
                   : "r" (cycles)
                   : "r0", "r1");
}

**逻辑分析：**

* `void delay_us_asm(uint32_t us);`：声明延时函数，参数为延时微秒数。
* `uint32_t cycles = (us * SystemCoreClock) / 1000000;`：计算延时所需的循环次数。
* `__asm__ volatile("mov r0, %0\n\t"
"mov r1, #0\n\t"
"loop:\n\t"
"add r1, r1, #1\n\t"
"cmp r1, r0\n\t"
"bne loop\n\t"
:
: "r" (cycles)
: "r0", "r1");`：使用汇编指令进行延时。
* `mov r0, %0`：将 `cycles` 复制到寄存器 `r0`。
* `mov r1, #0`：将 `0` 复制到寄存器 `r1`。
* `loop:`：循环标签。
* `add r1, r1, #1`：将 `1` 加到寄存器 `r1`。
* `cmp r1, r0`：比较寄存器 `r1` 和 `r0`。
* `bne loop`：如果 `r1` 不等于 `r0`，则跳转到 `loop` 标签。

# 5. STM32延时高级应用

### 5.1 系统时钟配置

#### 5.1.1 外部晶振配置

STM32微控制器通常使用内部高速时钟（HSI）作为系统时钟源。然而，HSI的精度和稳定性有限，对于需要高精度时序的应用来说并不合适。因此，在需要高精度延时的场合，可以配置外部晶振作为系统时钟源。

外部晶振配置步骤如下：

1. 选择合适的晶振：选择与STM32微控制器兼容的晶振，并确保晶振的频率满足应用需求。
2. 连接晶振：根据STM32微控制器的引脚图，将晶振连接到相应的引脚上。
3. 配置RCC寄存器：设置RCC寄存器以启用外部晶振并将其选择为系统时钟源。

// 使用外部晶振作为系统时钟源
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSE;
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_HSE) == 0);

#### 5.1.2 PLL倍频配置

为了进一步提高系统时钟的频率，可以配置PLL（锁相环）倍频器。PLL可以将外部晶振的频率倍频，从而获得更高的系统时钟频率。

PLL配置步骤如下：

1. 选择PLL倍频因子：选择合适的PLL倍频因子，以获得所需的系统时钟频率。
2. 配置RCC寄存器：设置RCC寄存器以启用PLL并配置PLL倍频因子。

// 使用PLL倍频，将外部晶振频率倍频为72MHz
RCC->PLLCFGR |= RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE | RCC_PLLCFGR_PLLM_4 | RCC_PLLCFGR_PLLN_72;
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_PLL) == 0);

### 5.2 实时时钟（RTC）延时

#### 5.2.1 RTC配置和校准

STM32微控制器内置实时时钟（RTC），可以提供高精度的时钟源。RTC通常使用外部晶体作为时钟源，因此具有较高的精度和稳定性。

RTC配置步骤如下：

1. 启用RTC时钟：设置RCC寄存器以启用RTC时钟。
2. 配置RTC寄存器：设置RTC寄存器以配置RTC时钟源、时钟频率和日期时间。
3. 校准RTC：使用外部时钟源（如GPS或网络时间协议）校准RTC，以确保其精度。

// 启用RTC时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
PWR->CR |= PWR_CR_DBP;
RCC->BDCR |= RCC_BDCR_RTCEN;

// 配置RTC时钟源为外部晶体
RCC->BDCR |= RCC_BDCR_RTCSEL_0;

// 设置RTC时钟频率为1Hz
RTC->PRER = 0x7FFF;

// 设置RTC日期和时间
RTC->TR = 0x0000;
RTC->DR = 0x0000;

#### 5.2.2 RTC延时函数

基于RTC的高精度时钟源，可以实现高精度的延时函数。

// RTC延时函数，单位为毫秒
void RTC_Delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t start_time = RTC->TR;
    while ((RTC->TR - start_time) < ms);
}

# 6. STM32延时总结与展望

**6.1 延时技术的总结**

通过对STM32延时技术的深入探索，我们总结了以下关键要点：

- **硬件定时器延时：**精度高、效率高，适用于对精度要求较高的场合。
- **软件循环延时：**简单易用、无需外部硬件，适用于对精度要求不高的场合。
- **延时精度优化：**通过分频和预分频等手段，可以提高硬件定时器延时的精度。
- **延时效率优化：**通过中断优先级设置和汇编优化等手段，可以提高软件循环延时的效率。

**6.2 延时技术的展望**

随着STM32技术的不断发展，延时技术也将不断演进。以下是一些未来延时技术的展望：

- **高精度延时：**开发新的延时算法或硬件架构，以实现更高的延时精度。
- **低功耗延时：**探索新的延时技术，以降低延时过程中的功耗。
- **实时延时：**研究新的实时延时技术，以满足对实时性要求较高的应用。
- **多核延时：**充分利用STM32的多核架构，实现并行延时，提高延时效率。