GPIO工作时序模拟_DWT实现μs级精确延时

时序模拟

• 工作时序

  在使用各种器件时，非常高频的操作就是使用GPIO来模拟这些器件所需的各种工作时序，以I2C通信为例，进行I2C启动的时序为：

  SCL时钟信号为高电平，SDA数据信号由高电平置低，产生下降沿

  我们在使用软件模拟I2C时，就会用到如下的代码：

  void SDA_Output( uint16_t val )
  {
  	if ( val )
  		GPIOB->BSRR |= GPIO_PIN_7;
  	else
  		GPIOB->BRR |= GPIO_PIN_7;
  }
  void SCL_Output( uint16_t val )
  {
  	if ( val )
  		GPIOB->BSRR |= GPIO_PIN_6;
  	else
  		GPIOB->BRR |= GPIO_PIN_6;
  }
  
  void I2CStart(void)//产生启动信号
  {
  	SDA_Output(1);//数据线为高电平
  	delay(DELAY_TIME);
  	SCL_Output(1);//时钟线为高电平
  	delay(DELAY_TIME);
  	SDA_Output(0);//数据线由高置低产生下降沿
  	delay(DELAY_TIME);
  	SCL_Output(0);
  	delay(DELAY_TIME);
  }
  

产生工作时序的代码实现

• 由上文代码可见，产生工作时序的操作可以分为两个重要部分：

• 控制GPIO的输出

  也就是控制电平高低

  一般来说，先配置好所需引脚，为了方便修改与移植，一般不用CubeMX来配置器件要连接的引脚，而是直接写在函数中，用宏定义来标识所用引脚

  #define MY_PORT	GPIOA
  #define MY_PIN	GPIO_PIN_0
  //这样，只要修改宏定义，就能更改所用引脚
  void DHT11_PP_OUT(void)
  {
  	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  	GPIO_InitStruct.Pin = MY_PIN;
  	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;	
  	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  	HAL_GPIO_Init(MY_PORT, &GPIO_InitStruct);
  }
  

  然后，就可以写一个函数(如上文)，或者直接用HAL_GPIO_WritePin来控制电平高度

  为了编写更简单，一般把调用函数控制电平的语句再用宏定义起一个“别名”来方便调用

  #define MY_PULL_1 HAL_GPIO_WritePin(MY_PORT, MY_PIN, GPIO_PIN_SET)
  #define MY_PULL_0 HAL_GPIO_WritePin(MY_PORT, MY_PIN, GPIO_PIN_RESET)
  #define MY_ReadPin HAL_GPIO_ReadPin(MY_PORT, MY_PIN)
  
  MY_PULL_1;//给引脚置1，发送高电平
  

• 延时函数排障

  这就是极其容易出错的部分：如果器件对工作时序有特殊的要求，例如要求μs级的持续电平，而延时精度不够，这就会导致器件接收到的信号并非它能“听懂”的指令，从而产生极其隐蔽的错误，整个程序会卡在器件的初始化阶段(因为没有接收到正确的启动时序)，你会误认为器件坏了

延时函数的分类

• 为了进行延时，有几种不同的原理

• CPU空转延时

  就是让CPU执行空循环，执行这些空白指令的用时即被延时的时间，当然这种简单粗暴的方法随着主频的提升变得不可靠，而且容易被编译器优化掉（例如I2C使用的一节中就必须调节编译器优化等级才能正常使用），在STM32的开发中一般不再使用了

• SysTick/HAL_Delay

  借助STM32系统自带的中断SysTick进行延时操作，精度为1ms，具体原理不再赘述

  这种延时操作简单，例如只需要HAL_Delay(50);即可延时50ms

• TIM中断

  与上文介绍的两种阻塞式中断（在延时过程中无法执行其他操作）不同，利用硬件定时器的中断可以在延时过程中进行其他操作，实时性更强，而且精度极高，但配置麻烦，且占用硬件资源

DWT

DWT概述

• 由上文的介绍，是否有一种延时的方法，既极其精准，能够实现μs级的延时，又使用简单，无需像TIM一样进行复杂的配置呢

• DWT简介

  这就可以借助DWT(Data Watchpoint and Trace，数据观察点与跟踪)

  这是ARM Cortex-M 系列处理器内核（如 Cortex-M3、M4、M7 等）中集成的一个调试与性能分析单元，它在不占用 CPU 资源、不影响主程序逻辑的前提下，提供高精度的运行时信息，我们可以使用其中的周期计数器CYCCNT单元进行计时操作

• 启用DWT

  作为一个调试模块，DWT默认是关闭的，需要手动配置打开

  CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
  //使能Trace功能（通过 CoreDebug 寄存器）
  
  DWT->CYCCNT = 0;
  //清零CYCCNT，这一步也可以不做
  
  DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
  //使能 CYCCNT 计数器
  

DWT相关寄存器

• 周期计数器CYCCNT

  每经过一个 CPU 时钟周期，自动+1，若系统主频 = 72 MHz 则每个周期约为13.89 ns，可见精度极高

  计数器有32 位(可溢出)，因此(72MHz下)不应用于超过59s的延时

• 控制寄存器CTRL

  用于使能 CYCCNT 等功能

• 其他寄存器用于进行单片机的高级统计，如异常次数等，此处用不上，不再介绍

DWT延时代码实现

• 将下列代码添加到你的工程中，记得修改对应单片机型号的头文件与当前CPU主频，即可使用DWT进行延时操作

• delay.h

  #ifndef __DELAY_H
  #define __DELAY_H
  
  #include <stdint.h>
  
  void delay_us(uint32_t us);
  void delay_ms(uint32_t ms);
  void DWT_Init(void);
  
  #endif
  

• delay.c

  #include "delay.h"
  #include "stm32f10x.h"//换成对应型号
  
  void DWT_Init(void) 
  {
  	if (!(CoreDebug->DEMCR & CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk)) 
  	{
  		CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
  		DWT->CYCCNT = 0;
  		DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
  	}
  }
  
  void delay_us(uint32_t us) 
  {
  	uint32_t start = DWT->CYCCNT;
  	uint32_t cycles = us * 72;//72MHz
  	while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles){
  	}
  }
  
  void delay_ms(uint32_t ms) {
  	while(ms--) {
  		delay_us(1000);
  	}
  }