STM32单片机延时函数全解析：SysTick和HAL库的奥秘

# 1. STM32延时函数概述

STM32微控制器中，延时函数是实现系统定时和控制的重要功能。它允许程序员以精确的时间间隔执行任务，从而实现各种应用。STM32提供多种延时机制，包括SysTick定时器和HAL库函数，每种机制都有其独特的特性和适用场景。本章将概述STM32延时函数，为后续章节的深入探讨奠定基础。

# 2. SysTick延时机制

### 2.1 SysTick寄存器结构与配置

SysTick是STM32系列MCU中用于实现系统定时器的外设。其寄存器结构如下：

struct __attribute__((packed)) SysTick_TypeDef
{
  volatile uint32_t CTRL;    // 控制和状态寄存器
  volatile uint32_t LOAD;    // 重载值寄存器
  volatile uint32_t VAL;     // 当前值寄存器
  volatile const uint32_t CALIB;  // 校准值寄存器
};

其中，关键寄存器如下：

- **CTRL：**控制和状态寄存器，用于配置SysTick时钟源、中断使能、计数模式等。
- **LOAD：**重载值寄存器，用于设置SysTick定时器的重载值。
- **VAL：**当前值寄存器，用于读取SysTick定时器的当前值。

### 2.2 SysTick中断处理流程

SysTick中断处理流程如下：

1. 当SysTick定时器计数器减至0时，触发SysTick中断。
2. 进入中断服务程序（ISR），执行中断处理代码。
3. 清除SysTick中断标志位。
4. 重载SysTick定时器，重新开始计数。

### 2.3 SysTick延时函数实现

基于SysTick中断机制，可以实现延时函数。其基本原理如下：

1. 配置SysTick定时器，设置重载值。
2. 进入SysTick中断服务程序，执行延时操作。
3. 在延时操作完成后，退出中断服务程序。

void SysTick_DelayMs(uint32_t ms)
{
    // 计算SysTick重载值
    uint32_t reload = (ms * (SystemCoreClock / 1000)) - 1;

    // 配置SysTick
    SysTick->LOAD = reload;
    SysTick->VAL = 0;
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;

    // 进入SysTick中断服务程序
    while (!(SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk));

    // 清除SysTick中断标志位
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk;

    // 退出SysTick中断服务程序
}

**代码逻辑逐行解读：**

- 计算SysTick重载值：根据给定的延时时间ms，计算出SysTick定时器的重载值，以实现ms级的延时。
- 配置SysTick：设置SysTick定时器的重载值、当前值和控制寄存器，使能SysTick定时器和中断。
- 进入SysTick中断服务程序：进入SysTick中断服务程序，等待SysTick定时器计数器减至0。
- 清除SysTick中断标志位：当SysTick定时器计数器减至0时，触发SysTick中断，清除中断标志位。
- 退出SysTick中断服务程序：延时操作完成后，退出SysTick中断服务程序。

# 3. HAL库延时机制

### 3.1 HAL库延时函数分类

HAL库提供了两种延时函数：

- `HAL_Delay()`: 毫秒级延时函数，可实现毫秒级延时。
- `HAL_DelayUS()`: 微秒级延时函数，可实现微秒级延时。

### 3.2 `HAL_Delay()`函数原理与使用

`HAL_Delay()`函数的原理是使用SysTick定时器。其内部实现如下：

void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();
  HAL_IncTick();
  HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000);
  while (Delay--)
  {
    while ((SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk) == 0)
    {
    }
    HAL_IncTick();
  }
  SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}

**参数说明：**

- `Delay`: 延时时间，单位为毫秒。

**使用步骤：**

1. 使能SysTick时钟。
2. 调用`HAL_IncTick()`函数增加SysTick计数器。
3. 配置SysTick定时器，使其每1ms产生一个中断。
4. 进入延时循环，等待`Delay`个毫秒。
5. 在延时循环中，不断检查SysTick中断标志位。
6. 每当SysTick中断发生时，调用`HAL_IncTick()`函数增加SysTick计数器。
7. 当延时时间达到时，退出延时循环，关闭SysTick定时器。

### 3.3 `HAL_DelayUS()`函数原理与使用

`HAL_DelayUS()`函数的原理是使用SysTick定时器和CPU时钟频率。其内部实现如下：

void HAL_DelayUS(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay * (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000000);
  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
  }
}

**参数说明：**

- `Delay`: 延时时间，单位为微秒。

**使用步骤：**

1. 获取当前SysTick计数器值。
2. 计算延时时间对应的SysTick计数器增量。
3. 进入延时循环，等待SysTick计数器增量达到。
4. 在延时循环中，不断检查SysTick计数器值。
5. 当延时时间达到时，退出延时循环。

# 4. SysTick与HAL库延时函数对比

### 4.1 延时精度对比

SysTick和HAL库延时函数的延时精度都受限于系统时钟的精度。对于STM32系列MCU，系统时钟的精度一般为1μs。因此，SysTick和HAL库延时函数的延时精度也都在1μs左右。

**SysTick延时精度**

SysTick延时精度主要受以下因素影响：

- 系统时钟精度
- SysTick时钟源选择
- SysTick计数器分辨率

**HAL库延时精度**

HAL库延时精度主要受以下因素影响：

- 系统时钟精度
- HAL库延时函数实现方式

### 4.2 延时范围对比

SysTick和HAL库延时函数的延时范围不同。SysTick延时范围为0~0xFFFFFFFF（约4.29s），而HAL库延时函数的延时范围为0~0x7FFFFFFF（约2.14s）。

**SysTick延时范围**

SysTick延时范围由SysTick计数器的位宽决定。SysTick计数器为32位寄存器，因此其延时范围为0~0xFFFFFFFF。

**HAL库延时范围**

HAL库延时函数的延时范围由其内部实现方式决定。HAL库延时函数一般通过循环的方式实现，因此其延时范围受限于循环次数。HAL_Delay()函数的延时范围为0~0x7FFFFFFF，而HAL_DelayUS()函数的延时范围为0~0x3FFFFFFF。

### 4.3 延时效率对比

SysTick和HAL库延时函数的延时效率也不同。SysTick延时函数的效率更高，而HAL库延时函数的效率稍低。

**SysTick延时效率**

SysTick延时函数的效率较高，主要是因为其直接使用SysTick硬件定时器实现。SysTick硬件定时器是一个独立的定时器，不占用CPU资源。因此，SysTick延时函数的执行不会影响其他任务的执行。

**HAL库延时效率**

HAL库延时函数的效率稍低，主要是因为其通过循环的方式实现。循环的方式需要占用CPU资源，因此HAL库延时函数的执行会影响其他任务的执行。

**性能对比表格**

| 特性 | SysTick延时函数 | HAL库延时函数 |
|---|---|---|
| 延时精度 | 1μs | 1μs |
| 延时范围 | 0~0xFFFFFFFF | 0~0x7FFFFFFF |
| 延时效率 | 高 | 低 |

# 5.1 LED闪烁程序

在LED闪烁程序中，延时函数用于控制LED的亮灭时间。以下是一个使用SysTick延时函数实现LED闪烁的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void SysTick_Handler(void)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_5, (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_5)));
}

int main(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);
    while (1)
    {
    }
}

在这个程序中，SysTick中断服务函数用于切换LED的状态。当SysTick中断发生时，它会将LED的输出电平取反，从而实现LED的闪烁。

## 5.2 串口通信程序

在串口通信程序中，延时函数用于控制数据的发送和接收速率。以下是一个使用HAL库延时函数实现串口通信的示例代码：

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"

int main(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    while (1)
    {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        HAL_Delay(10);
        USART_SendData(USART1, data);
    }
}

在这个程序中，HAL_Delay()函数用于在数据发送和接收之间引入延迟，以确保数据传输的可靠性。

## 5.3 定时器中断程序

在定时器中断程序中，延时函数用于控制定时器中断的发生频率。以下是一个使用SysTick延时函数实现定时器中断的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void SysTick_Handler(void)
{
    TIM_SetCounter(TIM2, 0);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

int main(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8400 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);
    while (1)
    {
    }
}

在这个程序中，SysTick中断服务函数用于触发定时器中断。当SysTick中断发生时，它会将定时器2的计数器清零并使能定时器2。定时器2中断服务函数用于清除定时器2的中断标志位。