STM32的定时器_时钟源配置/时基单元与捕获比较通道结构

时钟源

时钟源的分类

• STM32具备五个时钟源

• 内部时钟

  有LSI内部低速时钟(不可作系统时钟)与HSI内部高速时钟两种

  内部时钟包含在单片机内部，可以直接调用，其缺点是精度与频率较低

• 外部时钟

  有LSE外部低速时钟(不可作系统时钟)与HSE外部高速时钟两种

  外部时钟能够有更高的频率与精度，但需要额外的硬件支持，并且需要一定的时间进行启动并等待其输出稳定的频率

• PLL锁相环倍频后时钟

  PPL不是一种单独的时钟，它本质就是对HSI或HSE的时钟频率进行一定的计算后输出，让时钟频率选择更灵活

启用外部时钟源

• 外部时钟源的硬件

  外部时钟需要时钟电路硬件支持，在硬件设计一章中已经提到外部时钟电路分两种：

  • 振荡模式：使用晶振产生的时钟信号
  • 旁路时钟模式：使用外部输入的时钟信号

• 外部时钟源的设置

  在使用外部时钟前我们需要告知处理器具体使用的哪种外部时钟

  1. 在CubeMX中左侧System Core一栏点开RCC(即Reset and Clock Control，复位和时钟晶振)设置
  2. 在弹出的中间栏窗口High Speed Clock(HSE)一栏中配置HSE为晶振Crystal/Ceramic Resonator

  这样之后才能在Clock Configuration页面选用HSE

定时器的时钟源

• 定时器可选4种不同的时钟源，所输出的时钟信号将被定时器进一步处理（将时钟信号作为时基单元的预分频时钟CK_PSC送入时基单元）

  选择不同的时钟源将会决定定时器的工作模式

• 内部时钟CK_INT

  来自外设总线ABP所提供的时钟，源自前文提到的LSI/HSI/LSE/HSE/PLL这些时钟；在使用CK_INT作为时钟源时，内部时钟频率CK_INT、预分频时钟CK_PSC与定时器的定时时钟TIMx_CLK三者的频率是一致的，选用此时钟将定时器作为定时功能

• 外部时钟模式1

  来自外部输入TIx，也即捕获/比较通道CH1/CH2所输入的信号，选用此时钟将定时器作为计数功能

• 外部时钟模式2

• 来自外部触发输入ETR，用此时钟将定时器作为计数功能

• 内部触发输入ITR

  使用另外的定时器作为定时器的时钟源，也就是计时器的级联

时钟源的配置

• 时钟树

  input frequency -> SYSCLK -> HCLK(AHB) -> APB1/2

  时钟信号经过分频处理后得到用作其他用途的时钟，这些时钟的关系如上

  在CubeMX的Clock Configuration页面中可以按时钟树的顺序对单片机的各个时钟进行配置

• 系统主时钟SYSCLK

  系统主时钟通常来自HSE、HSI或PLL；低速LSI和LSE不能用作SYSCLK

  得到SYSCLK后进行进一步的分频操作，就能得到HCLK与ABP这些用于其他外设的时钟

• 高性能时钟HCLK/AHB

  HCLK指的是AHB，advanced high-performance bus高级高性能总线时钟的频率，提供给CPU、内存(DMA)与大部分外设

  大多数情况下系统主时钟与HCLK相等（不进行AHB分频）

• 外设时钟ABP

  HCLK经过ABP分频后得到advanced peripheral BUS外设总线时钟，分为低速外设总线时钟APB2(36MHz以内)和高速外设总线时钟APB1(72MHz以内)，它们决定了挂载在自身总线上外设的时钟频率

  高级计时器连接在ABP1总线上，其他计时器则连接在ABP2总线上

  无特殊需求的情况下，为了方便一般不进行这些分频，让SYSCLK=HCLK=ABP，由计时器的分频模块进行分频操作以便计算

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定时器概述

定时器简介

• 定时器的功能

  最常用的定时器功能有三种：

  • 定时/计数功能：用于产生时间基准(比如每隔一定时间中断一次)，测量外部脉冲个数
  • 输出比较功能：包括PWM输出、电平反转、单脉冲输出以及强制输出等
  • 输入捕获功能：测量输入信号的脉冲宽度，用于测量信号频率和占空比

• 定时器的分类

  在STM8中介绍过，单片机外设定时器可分为三类：

  • 功能最齐全的高级定时器，可以选择多种时钟源输入，拥有四个独立通道，有输入捕获/输出比较功能，还有互补输出、刹车信号等独占功能
  • 相比高级计时器减少了一些功能的通用计时器，依旧有四个独立通道，也可以实现输入捕获/输出比较
  • 功能最少的基本定时器，功能最少，只能向上计数，一般只用来计时

  而到了STM32，计时器的分类依旧是一样的，以STM32F4为例：TIM6/7为基本计时器，TIM1/8为高级计时器，其余为通用计时器，不过定时器的特点相较STM8有所不同

• STM32的定时器

  STM32与STM8的定时器有两个显著的区别：

  • STM32的三类定时器均是16位，而STM8的基本定时器只有8位
  • STM32的三类定时器分频系数也都是16位的，范围是1-65535，比起STM8更为灵活，这也意味着其计算分频值更方便，直接使用PSC+1即可

  得益于CubeMX图形化的配置，我们不必再像配置STM8去记忆每个计时器相应的功能与配置其的寄存器，直接在CubeMX中选择需要的功能即可，大大降低了使用难度

时基单元

• 定时器的核心控制单元，前文提到的各个定时器参数就由这一单元所控制，包含三个模块：

• 预分频模块PSC

  此模块决定定时器计数频率，即计数值CNT数的有多快，相关参数如下：

  • CK_PSC：预分频系数，送入定时器的时钟频率，在配置单片机时钟系统时所得到
  • PSC：分频系数，用于对CK_PSC分频，之后得到最终的计数频率CK_CNT
  • CK_CNT=CK_PSC/(PSC+1)

  由预分频计数器和预分频寄存器TIMx_PSC组成，预分频计数器用计数的方式对预分频时钟CK_PSC进行分频以得到计数时钟CK_CNK；寄存器则用于储存预分频系数PSC

  PSC需要加1是因为PSC=0表示不分频(除以1)，而PSC=1表示二分频，以此类推

• 计数模块CNT

  此模块用于对预分频模块输出的计数频率进行计数，相关参数如下：

  • CNT：当前计数值

  由核心计数器和计数器寄存器TIMx_CNT组成，用以对预分频计数器输出的计数时钟进行二次计数，根据用户配置的计数模式来决定每个CNT脉冲到来时对计数值自动加一或减一；寄存器中存放当前的计数值CNT

• 自动重装载模块ARR

  用于设定计数模块的计数的初值(向下计数)或终值(向上计数)时，需要开启定时器的auto-reload preload功能

  • ARR：自动重装载值

  由自动重装载寄存器TIMx_ARR组成(该寄存器有预装载功能，分预装载寄存器与影子寄存器两者，在后一章节中解释含义)，用来保存计数器的计数终值或计数初值，对向上计数模式，当CNT递增达到ARR时计数溢出，CNT清零重新计数；向下计数模式相反，CNT从ARR递减到0时计数溢出，CNT重新装载为ARR值

• 自动重装载功能与影子寄存器

  ARR寄存器由预装载寄存器与影子寄存器两者组成，在CubeMX中的TIM配置里有一个auto-reload preload自动重装载功能，这个功能由此物理结构实现

  在解释此功能前要先理解影子寄存器的结构：为了防止对ARR这样的寄存器修改破坏正在进行的工作过程，ARR寄存器有两份：计数时使用的被称为影子寄存器，其保存的ARR值是从预装载寄存器中复制过去的，而我们修改的ARR值正是修改预装载寄存器中的值，这就保证了如果在计时途中修改ARR值，之前的计数周期不会被破坏，直到完成这一周期才会进行更新，把预装载寄存器的值复制到影子寄存器中去

  因此，启用这个预装载功能时，ARR值会被写入预装载寄存器，并在下一次更新事件时才生效，更新到实际工作的影子寄存器中；禁用则会使ARR值直接写入影子寄存器，更适合需要动态调整ARR的场合

捕获/比较通道

• 负责输入捕获功能与输出比较功能(在之后实验章节中介绍)，这两种功能不能同时使用；

  每个定时器最多有4个彼此独立的通道（高级定时器有4个，基本型定时器没有），由通道TIMx_CHn的编号n标记，每个通道由对应的寄存器进行控制，各个通道复用不同的GPIO引脚（每个通道的输入捕获单元、输出比较单元与捕获/比较寄存器都是独立的，但一个定时器的所有通道都共用一个时基单元）

• 输入捕获单元

  对外部脉冲信号进行滤波与边沿检测捕获，可以配置为上升沿、下降沿与双边沿捕获，在发生捕获事件时将计时器当前的计数值锁存到捕获/比较寄存器中

  主要用于信号测量：信号的周期、频率与占空比

• 输出比较单元

  用于信号输出，通过预设的比较值与计数器计数值的比较来决定输出

  主要用于实现各类输出：PWM信号、单脉冲输出、电平反转等

• 捕获/比较寄存器CCR

  一如三个时基单元模块有各自的功能参数，捕获/比较功能也有一个重要的功能参数CCRx(x是具体的捕获/比较通道编号)被保存在捕获/比较寄存器TIMx_CCR中(该寄存器有预装载功能，分预装载寄存器与影子寄存器两者)

  • CCRn：捕获/比较寄存器值

  对PWM生成(输出比较)：以向上计数模式为例，当CNT小于CRRn时，TIMx_CHn通道输出一种电平，反之输出另一种电平

  对输入捕获：当检测到TIMx_CHn通道输入了所设定的边沿时，CNT值被记录到CRRn