揭秘STM32定时器：时钟、计数和中断的权威指南

# 1. STM32定时器概述

STM32微控制器广泛应用于嵌入式系统中，其内置的定时器外设功能强大，可用于实现各种时序控制和测量任务。STM32定时器是一个16位或32位可编程计数器，具有多种工作模式和丰富的功能，包括时钟源选择、计数方式、中断配置、捕获和比较等。

定时器作为嵌入式系统中不可或缺的组件，其应用场景十分广泛。它可以作为系统时钟源，提供精确的时间基准；可以作为计数器，测量外部事件的频率或脉冲数；还可以作为中断源，在特定时间点或事件发生时触发中断。

# 2. STM32定时器配置

STM32定时器是一个功能强大的外设，可用于各种应用中，包括时钟源、计数器和中断源。为了有效地使用定时器，必须正确配置它。本章将介绍STM32定时器的配置过程，包括时钟源选择、定时器模式和计数方式以及定时器中断配置。

### 2.1 时钟源选择和配置

STM32定时器可以由多种时钟源驱动，包括内部时钟（HSI、LSI、HSE）和外部时钟（LSE、RTC）。选择合适的时钟源对于确保定时器以所需的精度和稳定性运行至关重要。

**时钟源选择**

| 时钟源 | 特性 |
|---|---|
| HSI | 内部高速时钟，频率范围为2至16 MHz |
| LSI | 内部低速时钟，频率范围为32至40 kHz |
| HSE | 外部高速时钟，频率范围为4至80 MHz |
| LSE | 外部低速时钟，频率范围为32.768 kHz |
| RTC | 实时时钟，频率范围为1至1024 Hz |

**时钟源配置**

时钟源配置涉及以下步骤：

1. 在RCC寄存器中启用所需的时钟源。
2. 对于外部时钟，配置时钟输入引脚。
3. 对于内部时钟，调整时钟预分频器以获得所需的频率。

### 2.2 定时器模式和计数方式

STM32定时器支持多种模式和计数方式，以适应不同的应用需求。

**定时器模式**

| 模式 | 特性 |
|---|---|
| Upcounting | 定时器从0计数到预装载值 |
| Downcounting | 定时器从预装载值计数到0 |
| Center-aligned | 定时器从预装载值计数到0，然后从0计数到预装载值 |

**计数方式**

| 计数方式 | 特性 |
|---|---|
| 32位 | 定时器使用32位计数器 |
| 16位 | 定时器使用16位计数器 |

### 2.3 定时器中断配置

STM32定时器可以生成中断，以通知MCU发生特定事件，例如计数器溢出或捕获事件。

**中断配置**

1. 在NVIC寄存器中启用定时器中断。
2. 配置定时器中断优先级。
3. 在定时器寄存器中配置中断使能位。

**中断处理**

中断处理程序负责处理定时器中断。它通常执行以下任务：

1. 清除中断标志位。
2. 执行所需的处理。
3. 返回中断处理。

### 代码示例

以下代码示例展示了如何配置STM32定时器：

// 使能HSI时钟源
RCC->CR |= RCC_CR_HSION;

// 等待HSI时钟稳定
while ((RCC->CR & RCC_CR_HSIRDY) == 0);

// 选择HSI时钟源
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW;
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSI;

// 等待时钟切换完成
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_HSI);

// 配置TIM2为向上计数模式，32位计数器
TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 设置定时器预装载值
TIM2->ARR = 10000;

// 使能定时器溢出中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

// 启用TIM2中断
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

# 3. STM32 定时器应用

### 3.1 定时器作为时钟源

**简介**

STM32 定时器可以配置为时钟源，为其他外设提供精确的时间基准。

**配置**

1. 选择时钟源：内部时钟（如 HSI、LSI）、外部时钟（如 LSE）或其他定时器的输出。
2. 设置预分频器：分频时钟源频率，以获得所需的时钟频率。
3. 设置重装载值：设置定时器在溢出前计数的最大值。

**代码示例**

// 使用 HSI 作为时钟源，时钟频率为 100 kHz
RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
clkinitstruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;
clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_0);

// 配置定时器 2 为时钟源，时钟频率为 10 kHz
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);

**逻辑分析**

* `RCC_ClkInitTypeDef` 结构体用于配置系统时钟。
* `TIM_ClockConfigTypeDef` 结构体用于配置定时器时钟源。
* `HAL_RCC_ClockConfig()` 函数配置系统时钟。
* `HAL_TIM_ConfigClockSource()` 函数配置定时器时钟源。

### 3.2 定时器作为计数器

**简介**

STM32 定时器可以配置为计数器，用于测量时间间隔或计数脉冲。

**配置**

1. 设置计数模式：上升沿计数、下降沿计数或双边沿计数。
2. 设置计数方向：向上计数或向下计数。
3. 设置重装载值：设置定时器在溢出前计数的最大值。

**代码示例**

// 配置定时器 3 为向上计数器，计数频率为 1 kHz
TIM_CounterModeTypeDef sCounterMode = {0};
sCounterMode.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_ConfigCounterMode(&htim3, &sCounterMode);

// 设置定时器 3 的重装载值为 1000，计数频率为 1 kHz
HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 1000);

**逻辑分析**

* `TIM_CounterModeTypeDef` 结构体用于配置定时器计数模式。
* `HAL_TIM_ConfigCounterMode()` 函数配置定时器计数模式。
* `HAL_TIM_SetCompare()` 函数设置定时器重装载值。

### 3.3 定时器作为中断源

**简介**

STM32 定时器可以配置为中断源，当定时器计数溢出或达到指定比较值时触发中断。

**配置**

1. 启用定时器中断：在 NVIC 中启用定时器中断。
2. 配置中断优先级：设置中断优先级，以确定中断处理顺序。
3. 设置中断触发条件：设置定时器溢出中断或比较中断。

**代码示例**

// 启用定时器 4 中断
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM4_IRQn);

// 设置定时器 4 中断优先级为 3
HAL_NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn, 3, 0);

// 配置定时器 4 溢出中断
HAL_TIM_ConfigOCMode(&htim4, TIM_CHANNEL_1, TIM_OCMODE_TIMING);
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_1);

**逻辑分析**

* `HAL_NVIC_EnableIRQ()` 函数启用中断。
* `HAL_NVIC_SetPriority()` 函数设置中断优先级。
* `HAL_TIM_ConfigOCMode()` 函数配置定时器输出比较模式。
* `HAL_TIM_OC_Start_IT()` 函数启用定时器输出比较中断。

# 4. STM32定时器高级应用**

**4.1 定时器捕获和比较**

定时器捕获和比较功能允许定时器捕获外部事件并将其与内部参考值进行比较。这对于测量脉冲宽度、频率和相位等应用非常有用。

**4.1.1 捕获模式**

在捕获模式下，定时器捕获外部事件的发生时间。外部事件可以通过定时器的输入捕获（IC）引脚提供。捕获值存储在定时器的捕获寄存器中。

// 配置定时器 2 的通道 1 为捕获模式
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0;

// 设置捕获滤波器
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC1F_0 | TIM_CCMR1_IC1F_1;

// 使能捕获中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;

**4.1.2 比较模式**

在比较模式下，定时器将捕获值与内部参考值进行比较。当捕获值与参考值相等或大于参考值时，定时器会产生中断。参考值存储在定时器的比较寄存器中。

// 配置定时器 2 的通道 1 为比较模式
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_1;

// 设置比较值
TIM2->CCR1 = 1000;

// 使能比较中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;

**4.2 定时器脉宽调制（PWM）**

PWM（脉宽调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出电压或电流的技术。STM32定时器可以生成PWM信号，用于控制电机、LED和音频设备等外围设备。

**4.2.1 PWM模式**

在PWM模式下，定时器生成一个周期性的方波信号。方波的占空比（高电平时间与周期时间的比值）由定时器的比较寄存器控制。

// 配置定时器 3 的通道 1 为 PWM 模式
TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;

// 设置比较值
TIM3->CCR1 = 500;

// 使能 PWM 输出
TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

**4.2.2 PWM分辨率**

PWM信号的分辨率由定时器的时钟频率和计数器的位宽决定。更高的时钟频率和更宽的计数器位宽将产生更高的PWM分辨率。

**4.3 定时器DMA传输**

DMA（直接内存访问）是一种允许外设直接访问内存而不占用CPU资源的技术。STM32定时器支持DMA传输，这可以提高数据传输效率并减轻CPU负载。

**4.3.1 DMA配置**

要配置DMA传输，需要配置DMA控制器和定时器。DMA控制器负责管理数据传输，而定时器负责生成传输触发事件。

// 配置 DMA 通道 1
DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR_MINC | DMA_CCR_CIRC;
DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&buffer;
DMA1_Channel1->CNDTR = buffer_size;

// 配置定时器 4 的 DMA 请求
TIM4->DIER |= TIM_DIER_UDE;

**4.3.2 DMA传输触发**

DMA传输可以通过定时器的更新事件或触发事件触发。更新事件在每次定时器计数器溢出时发生，而触发事件由软件或外部事件生成。

# 5.1 常见问题和解决方案

在使用 STM32 定时器时，可能会遇到各种问题。以下是常见问题的列表以及相应的解决方案：

**问题：定时器不工作**

* **解决方案：**检查时钟源是否已正确配置，并且定时器已启用。

**问题：定时器中断不触发**

* **解决方案：**检查中断是否已正确配置，并且中断优先级已正确设置。

**问题：定时器计数不正确**

* **解决方案：**检查定时器模式和计数方式是否已正确配置。

**问题：定时器捕获或比较功能不工作**

* **解决方案：**检查捕获/比较寄存器是否已正确配置，并且输入信号符合要求。

**问题：定时器 PWM 输出不正确**

* **解决方案：**检查 PWM 模式和参数是否已正确配置，并且输出引脚已正确连接。

**问题：定时器 DMA 传输不工作**

* **解决方案：**检查 DMA 通道是否已正确配置，并且 DMA 请求信号已正确连接。

## 5.2 时序分析和调试

为了解决 STM32 定时器问题，可以使用时序分析仪或示波器来分析定时器的时序。以下是使用时序分析仪进行调试的步骤：

1. **连接时序分析仪：**将时序分析仪连接到 STM32 的时钟引脚、计数引脚和中断引脚。
2. **配置时序分析仪：**设置时序分析仪以捕获与定时器相关的信号。
3. **触发时序分析仪：**设置时序分析仪在特定事件（例如定时器中断）时触发。
4. **分析时序：**检查时序分析仪捕获的信号，以识别任何异常或错误。

通过分析时序，可以识别定时器配置或操作中的问题，并采取适当的措施来解决这些问题。

**代码示例：**

// 配置时钟源
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
RCC_ClkInitStruct.PLL.PLLMUL = 16;
RCC_ClkInit(&RCC_ClkInitStruct);

// 配置定时器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 1000;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIMx, &TIM_TimeBaseInitStruct);

// 启用定时器
TIM_Cmd(TIMx, ENABLE);

**逻辑分析：**

此代码配置 STM32 定时器，使其以 1 kHz 的频率生成时钟信号。时钟源设置为 HSI，倍频系数为 16，因此时钟频率为 16 MHz。定时器的预分频器设置为 1000，计数模式为向上计数，周期为 1000，因此定时器的时钟频率为 1 kHz。

# 6.1 性能优化技巧

STM32定时器的性能优化涉及到以下几个方面：

- **时钟源选择：**选择一个高精度的时钟源，例如内部高速时钟（HSI）或外部晶振（HSE），以确保定时器的精度。
- **定时器模式选择：**根据应用需求选择合适的定时器模式，例如向上计数模式或向下计数模式，以优化计数效率。
- **中断配置：**合理配置中断优先级和中断处理函数，以减少中断响应时间。
- **DMA传输：**对于需要频繁传输数据的应用，可以使用DMA传输功能，以减少CPU开销。
- **代码优化：**采用高效的算法和数据结构，优化代码执行效率。

## 6.2 代码可移植性和可维护性

为了提高STM32定时器代码的可移植性和可维护性，可以遵循以下原则：

- **使用标准库函数：**尽可能使用STM32库函数，以确保代码的可移植性。
- **模块化设计：**将定时器配置和使用封装成独立的模块，以提高代码的可维护性。
- **注释和文档：**添加清晰的注释和文档，以解释代码逻辑和功能。
- **单元测试：**编写单元测试，以验证定时器的正确性。
- **代码审查：**定期进行代码审查，以发现潜在的错误和改进代码质量。