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STM32定時(shí)器詳解 -----影子寄存器,預(yù)裝寄存器

作者: 時(shí)間:2016-11-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
定時(shí)器
在STM32F10xxx系列的32位MCU上,定時(shí)器資源十分豐富,包括高級控制定時(shí)器,通用定時(shí)器和基本定時(shí)器。此外,還有能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)功能的系統(tǒng)滴答定時(shí)器,實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及看門狗。關(guān)于這些定時(shí)器的介紹,占據(jù)了STM32F10xxx參考手冊1/5的篇幅,可見其功能的強(qiáng)大。
在低容量和中容量的STM32F103xx產(chǎn)品,以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中,只有一個高級控制定時(shí)器TIM1。而在高容量和超大容量的STM32F103xx產(chǎn)品中,有兩個高級控制定時(shí)器TIM1和TIM8。
在所有STM32F10xxx系列產(chǎn)品中,都有通用定時(shí)器TIM2~TIM5,除非另有說明。除此之外,在超大容量產(chǎn)品中,還有通用定時(shí)器TIM9~TIM14。
在高容量和超大容量的STM32F101xx和STM32F103xx產(chǎn)品,以及互聯(lián)型產(chǎn)品STM32F105xx和STM32F107xx中,有兩個基本定時(shí)器TIM6和TIM7。
其中,高級控制定時(shí)器的功能最為強(qiáng)大,可以實(shí)現(xiàn)所有其他定時(shí)器的所有功能。TrailBreaker開發(fā)板使用的是高容量的STM32F103ZE,因此有兩個高級控制定時(shí)器TIM1和TIM8。下面我們就著重介紹這兩個高級控制定時(shí)器。
TIM1和TIM8簡介
高級控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)由一個16位的自動裝載計(jì)數(shù)器組成,它由一個可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動。 它適合多種用途,包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲),或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較、PWM、嵌入死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM等)。 使用定時(shí)器預(yù)分頻器和RCC時(shí)鐘控制預(yù)分頻器,可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調(diào)節(jié)。
關(guān)于實(shí)驗(yàn)中用到的LED部分原理圖和GPIO跑馬燈實(shí)驗(yàn)所用到的相同,在此不再多做介紹。
TIM1和TIM8定時(shí)器的功能包括:
16位向上、向下、向上/下自動裝載計(jì)數(shù)器
16位可編程(可以實(shí)時(shí)修改)預(yù)分頻器,計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率的分頻系數(shù)為1~65535之間的任意數(shù)值
多達(dá)4個獨(dú)立通道: ─ 輸入捕獲 ─ 輸出比較 ─ PWM生成(邊緣或中間對齊模式) ─ 單脈沖模式輸出
死區(qū)時(shí)間可編程的互補(bǔ)輸出
使用外部信號控制定時(shí)器和定時(shí)器互聯(lián)的同步電路
允許在指定數(shù)目的計(jì)數(shù)器周期之后更新定時(shí)器寄存器的重復(fù)計(jì)數(shù)器
剎車輸入信號可以將定時(shí)器輸出信號置于復(fù)位狀態(tài)或者一個已知狀態(tài)
如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷/DMA:
─ 更新:計(jì)數(shù)器向上溢出/向下溢出,計(jì)數(shù)器初始化(通過軟件或者內(nèi)部/外部觸發(fā))
─ 觸發(fā)事件(計(jì)數(shù)器啟動、停止、初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù))
─ 輸入捕獲
─ 輸出比較
─ 剎車信號輸入
支持針對定位的增量(正交)編碼器和霍爾傳感器電路
觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理
高級定時(shí)器框圖和時(shí)鐘簡介
如框圖中的紅框所示,紅框中的部分,也是時(shí)基單元(Time-base unit),對時(shí)基單元進(jìn)行設(shè)置,就可以完成基礎(chǔ)的定時(shí)器的使用設(shè)置。
計(jì)數(shù)器時(shí)鐘可由下列時(shí)鐘源提供:
● 內(nèi)部時(shí)鐘(CK_INT)
● 外部時(shí)鐘模式1:外部輸入引腳
● 外部時(shí)鐘模式2:外部觸發(fā)輸入ETR
● 內(nèi)部觸發(fā)輸入(ITRx):使用一個定時(shí)器作為另一個定時(shí)器的預(yù)分頻器。如可以配置一個定時(shí)器Timer1而作為另一個定時(shí)器Timer2的預(yù)分頻器。詳見數(shù)據(jù)手冊的通用定時(shí)器部分。
內(nèi)部時(shí)鐘源(CK_INT):
如果禁止了從模式控制器(SMS=000),則CEN、DIR(TIMx_CR1寄存器)和UG位(TIMx_EGR寄存器)是事實(shí)上的控制位,并且只能被軟件修改(UG位仍被自動清除)。只要CEN位被寫成’1’,預(yù)分頻器的時(shí)鐘就由內(nèi)部時(shí)鐘CK_INT提供。 下圖顯示控制電路和向上計(jì)數(shù)器在一般模式下,不帶預(yù)分頻器時(shí)的操作。
外部時(shí)鐘源模式1
當(dāng)TIMx_SMCR寄存器的SMS=111時(shí),此模式被選中。計(jì)數(shù)器可以在選定輸入端的每個上升沿或下降沿計(jì)數(shù)。 下圖為TI2外部時(shí)鐘連接例子
例如,要配置向上計(jì)數(shù)器在T12輸入端的上升沿計(jì)數(shù),使用下列步驟:
1.配置TIMx_CCMR1寄存器CC2S=01
2.配置通道2檢測TI2輸入的上升沿
3.配置TIMx_CCMR1寄存器的IC2F[3:0],選擇輸入濾波器帶寬(如果不需要濾波器,保持IC2F=0000)
4.配置TIMx_CCER寄存器的CC2P=0,選定上升沿極性
5.配置TIMx_SMCR寄存器的SMS=111,選擇定時(shí)器外部時(shí)鐘模式1
6.配置TIMx_SMCR寄存器中的TS=110,選定TI2作為觸發(fā)輸入源
7.設(shè)置TIMx_CR1寄存器的CEN=1,使能計(jì)數(shù)器
注: 捕獲預(yù)分頻器不用作觸發(fā),所以不需要對它進(jìn)行配置
當(dāng)上升沿出現(xiàn)在TI2,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次,且TIF標(biāo)志被設(shè)置。 在TI2的上升沿和計(jì)數(shù)器實(shí)際時(shí)鐘之間的延時(shí),取決于在TI2輸入端的重新同步電路。
下圖為外部時(shí)鐘模式1下的控制電路
外部時(shí)鐘源模式2
選定此模式的方法為:令TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1。
計(jì)數(shù)器能夠在外部觸發(fā)ETR的每一個上升沿或下降沿計(jì)數(shù)。
下圖是外部觸發(fā)輸入的框圖
設(shè)置從模式控制寄存器的ETP位選擇選擇是用ETR還是ETR的反相來作為觸發(fā)操作
例如,要配置在ETR下每2個上升沿計(jì)數(shù)一次的向上計(jì)數(shù)器,使用下列步驟:
1.本例中不需要濾波器,置TIMx_SMCR寄存器中的ETF[3:0]=0000
2.設(shè)置預(yù)分頻器,置TIMx_SMCR寄存器中的ETPS[1:0]=01
3.選擇ETR的上升沿檢測,置TIMx_SMCR寄存器中的ETP=0
4.開啟外部時(shí)鐘模式2,寫TIMx_SMCR寄存器中的ECE=1
5.啟動計(jì)數(shù)器,寫TIMx_CR1寄存器中的CEN=1
計(jì)數(shù)器在每2個ETR上升沿計(jì)數(shù)一次。
在ETR的上升沿和計(jì)數(shù)器實(shí)際時(shí)鐘之間的延時(shí)取決于在ETRP信號端的重新同步電路。
下圖為外部時(shí)鐘模式2下的控制電路
如圖,該圖為STM32的時(shí)鐘樹,結(jié)合高級控制定時(shí)器框圖,我們可以看出,高級定時(shí)器的時(shí)鐘不是直接來自APB2,而是來自于輸入為APB2的一個倍頻器。
當(dāng)APB2的預(yù)分頻系數(shù)為1時(shí),這個倍頻器不起作用,定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB2的頻率;當(dāng)APB2的預(yù)分頻系數(shù)為其它數(shù)值(即預(yù)分頻系數(shù)為2、4、8或16)時(shí),這個分頻器起作用,定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB2的頻率相應(yīng)倍數(shù)。
假定AHB=36MHz,因?yàn)锳PB2允許的最大頻率為72MHz,所以APB2的預(yù)分頻系數(shù)可以取任意數(shù)值;當(dāng)預(yù)分頻系數(shù)=1時(shí),APB2=72MHz,TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率=72MHz(分頻器不起作用);當(dāng)預(yù)分頻系數(shù)=2時(shí),APB1=36MHz,在倍頻器的作用下,TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率=72MHz。
有人會問,既然需要TIM1和TIM8的時(shí)鐘頻率為72MHz,為什么不直接取APB2的預(yù)分頻系數(shù)=1?答案是:APB2不但要為TIM1和TIM8提供時(shí)鐘,而且還要為其它外設(shè)提供時(shí)鐘;設(shè)置這個倍頻器可以在保證其它外設(shè)使用較低時(shí)鐘頻率時(shí),TIM1和TIM8仍能得到較高的時(shí)鐘頻率。
再舉個例子:當(dāng)AHB=72MHz時(shí),APB2因?yàn)槠渌O(shè)備需要,時(shí)鐘為36MHZ,因?yàn)檫@個倍頻器,TIM1和TIM8仍然能夠得到72MHz的時(shí)鐘頻率。能夠使用更高的時(shí)鐘頻率,無疑提高了定時(shí)器的分辨率,這也正是設(shè)計(jì)這個倍頻器的初衷。
高級定時(shí)器寄存器簡介
可編程高級控制定時(shí)器的主要部分是一個16位計(jì)數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載寄存器。這個計(jì)數(shù)器可以向上計(jì)數(shù)、向下計(jì)數(shù)或者向上向下雙向計(jì)數(shù)。此計(jì)數(shù)器時(shí)鐘由預(yù)分頻器分頻得到。 計(jì)數(shù)器、自動裝載寄存器和預(yù)分頻器寄存器可以由軟件讀寫,即使計(jì)數(shù)器還在運(yùn)行讀寫仍然有效。
時(shí)基單元,也就是決定了定時(shí)器的基本功能的模塊包含:
1.計(jì)數(shù)器寄存器(Counter register,簡寫為TIMx_CNT)
2.預(yù)分頻器寄存器 (Prescaler register,簡寫為TIMx_PSC)
3.自動裝載寄存器 (Auto-reload register,簡寫為TIMx_ARR)
4.重復(fù)次數(shù)寄存器 (Repetition counter register,簡寫為TIMx_RCR)
1.影子寄存器
這張圖是高級定時(shí)器框圖的一部分,細(xì)心的人可以發(fā)現(xiàn)預(yù)分頻器寄存器、自動重載寄存器和捕捉/比較寄存器下面有一個陰影,其他的寄存器有些也有陰影。
這表示在物理上這個寄存器對應(yīng)2個寄存器:一個是我們可以可以寫入或讀出的寄存器,稱為預(yù)裝載寄存器,另一個是我們看不見的、無法真正對其讀寫操作的,但在使用中真正起作用的寄存器,稱為影子寄存器.
數(shù)據(jù)手冊介紹預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容可以隨時(shí)傳送到影子寄存器,即兩者是連通的(permanently),或者在每一次更新事件(UEV)時(shí)才把預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容傳送到影子寄存器。
原文如下:
The auto-reload register is preloaded. Writing to or reading from the auto-reload register accesses the preload register. The content of the preload register are transferred into the shadow register permanently or at each update event (UEV), depending on the auto-reload preload enable bit (ARPE) in TIMx_CR1 register. The update event is sent when the counter reaches the overflow (or underflow when downcounting) and if the UDIS bit equals 0 in the TIMx_CR1 register. It can also be generated by software. The generation of the update event is described in detailed for each configuration.
在圖中的,表示對應(yīng)寄存器的影子寄存器可以在發(fā)生更新事件時(shí),被更新為它的預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容;而圖中的部分,表示對應(yīng)的自動重載寄存器可以產(chǎn)生一個更新事件(U)或更新事件中斷(UI)。
設(shè)計(jì)預(yù)裝載寄存器和影子寄存器的好處是,所有真正需要起作用的寄存器(影子寄存器)可以在同一個時(shí)間(發(fā)生更新事件時(shí))被更新為所對應(yīng)的預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容,這樣可以保證多個通道的操作能夠準(zhǔn)確地同步。如果沒有影子寄存器,軟件更新預(yù)裝載寄存器時(shí),則同時(shí)更新了真正操作的寄存器,因?yàn)檐浖豢赡茉谝粋€相同的時(shí)刻同時(shí)更新多個寄存器,結(jié)果造成多個通道的時(shí)序不能同步,如果再加上例如中斷等其它因素,多個通道的時(shí)序關(guān)系有可能會混亂,造成是不可預(yù)知的結(jié)果。
2.預(yù)分頻寄存器
預(yù)分頻器可以將計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率按1到65536之間的任意值分頻。它是基于一個在TIMx_PSC寄存器中的16位寄存器控制的16位計(jì)數(shù)器。因?yàn)檫@個控制寄存器帶有緩沖器,它能夠在運(yùn)行時(shí)被改變。新的預(yù)分頻器的參數(shù)在下一次更新事件到來時(shí)被采用。
下面給出了在預(yù)分頻器運(yùn)行時(shí),更改計(jì)數(shù)器參數(shù)的例子
當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到2時(shí),計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖如下:
當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到4時(shí),計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖如下:
預(yù)分頻寄存器各位的描述如下:
位15:0 PSC[15:0]:預(yù)分頻值
計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率(CK_CNT)等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。
PSC的值保存在預(yù)分頻寄存器的預(yù)裝載寄存器中,在每次更新事件時(shí)加載至影子寄存器.
3.計(jì)數(shù)器寄存器
高級定時(shí)器計(jì)數(shù)模式:在向上計(jì)數(shù)模式中,計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到自動加載值(TIMx_ARR計(jì)數(shù)器的內(nèi)容),然后重新從0開始計(jì)數(shù)并且產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)器溢出事件。
如果使用了重復(fù)計(jì)數(shù)器功能,在向上計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)置的重復(fù)計(jì)數(shù)次數(shù)(TIMx_RCR)時(shí),產(chǎn)生更新事件(UEV);否則每次計(jì)數(shù)器溢出時(shí)才產(chǎn)生更新事件。
在事件產(chǎn)生寄存器寄存器中(通過軟件方式或者使用從模式控制器)設(shè)置UG位也同樣可以產(chǎn)生一個更新事件。 設(shè)置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位,可以禁止更新事件;這樣可以避免在向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時(shí)更新影子寄存器。在UDIS位被清’0’之前,將不產(chǎn)生更新事件。但是在應(yīng)該產(chǎn)生更新事件時(shí),計(jì)數(shù)器仍會被清’0’,同時(shí)預(yù)分頻器的計(jì)數(shù)也被請0(但預(yù)分頻器的數(shù)值不變)。此外,如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求),設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV,但硬件不設(shè)置UIF標(biāo)志(即不產(chǎn)生中斷或DMA請求)。這是為了避免在捕獲模式下清除計(jì)數(shù)器時(shí),同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。
當(dāng)發(fā)生一個更新事件時(shí),所有的寄存器都被更新,硬件同時(shí)(依據(jù)URS位)設(shè)置更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)。
● 重復(fù)計(jì)數(shù)器被重新加載為TIMx_RCR寄存器的內(nèi)容。
● 自動裝載影子寄存器被重新置入預(yù)裝載寄存器的值(TIMx_ARR)。
● 預(yù)分頻器的緩沖區(qū)被置入預(yù)裝載寄存器的值(TIMx_PSC寄存器的內(nèi)容)。
下面給出一些例子,當(dāng)TIMx_ARR=0x36時(shí)計(jì)數(shù)器在不同時(shí)鐘頻率下的動作。
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為1 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為2 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為4時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為N時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
當(dāng)ARPE=0時(shí)的更新事件(TIMx_ARR沒有預(yù)裝入) 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
當(dāng)ARPE=1時(shí)的更新事件(TIMx_ARR預(yù)裝入) 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
在向下模式中,計(jì)數(shù)器從自動裝入的值(TIMx_ARR計(jì)數(shù)器的值)開始向下計(jì)數(shù)到0,然后從自動裝入的值重新開始并且產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)器向下溢出事件。
如果使用了重復(fù)計(jì)數(shù)器,當(dāng)向下計(jì)數(shù)重復(fù)了重復(fù)計(jì)數(shù)寄存器(TIMx_RCR)中設(shè)定的次數(shù)后,將產(chǎn)生更新事件(UEV),否則每次計(jì)數(shù)器下溢時(shí)才產(chǎn)生更新事件。
在TIMx_EGR寄存器中(通過軟件方式或者使用從模式控制器)設(shè)置UG位,也同樣可以產(chǎn)生一個更新事件。
設(shè)置TIMx_CR1寄存器的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時(shí)更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會產(chǎn)生更新事件。然而,計(jì)數(shù)器仍會從當(dāng)前自動加載值重新開始計(jì)數(shù),并且預(yù)分頻器的計(jì)數(shù)器重新從0開始(但預(yù)分頻系數(shù)不變)。
此外,如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ,設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV但不設(shè)置UIF標(biāo)志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求),這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計(jì)數(shù)器時(shí),同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。
當(dāng)發(fā)生更新事件時(shí),所有的寄存器都被更新,并且(根據(jù)URS位的設(shè)置)更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設(shè)置。
● 重復(fù)計(jì)數(shù)器被重置為TIMx_RCR寄存器中的內(nèi)容
● 預(yù)分頻器的緩存器被加載為預(yù)裝載的值(TIMx_PSC寄存器的值)。
● 當(dāng)前的自動加載寄存器被更新為預(yù)裝載值(TIMx_ARR寄存器中的內(nèi)容)。
注:自動裝載在計(jì)數(shù)器重載入之前被更新,因此下一個周期將是預(yù)期的值。
下面是一些當(dāng)TIMx_ARR=0x36時(shí),計(jì)數(shù)器在不同時(shí)鐘頻率下的動作。
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為1 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為2 時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為4時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
內(nèi)部時(shí)鐘分頻因子為N時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖如下:
當(dāng)沒有使用重復(fù)計(jì)數(shù)器時(shí)的更新事件時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖:
中央對齊模式(up/down counting) 在中央對齊模式,計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)到自動加載的值(TIMx_ARR寄存器)−s211,產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)器溢出事件,然后向下計(jì)數(shù)到1并且產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)器下溢事件;然后再從0開始重新計(jì)數(shù)。
在此模式下,不能寫入TIMx_CR1中的DIR方向位。它由硬件更新并指示當(dāng)前的計(jì)數(shù)方向。
可以在每次計(jì)數(shù)上溢和每次計(jì)數(shù)下溢時(shí)產(chǎn)生更新事件;也可以通過(軟件或者使用從模式控制器)設(shè)置TIMx_EGR寄存器中的UG位產(chǎn)生更新事件。然后,計(jì)數(shù)器重新從0開始計(jì)數(shù),預(yù)分頻器也重新從0開始計(jì)數(shù)。
設(shè)置TIMx_CR1寄存器中的UDIS位可以禁止UEV事件。這樣可以避免在向預(yù)裝載寄存器中寫入新值時(shí)更新影子寄存器。因此UDIS位被清為0之前不會產(chǎn)生更新事件。然而,計(jì)數(shù)器仍會根據(jù)當(dāng)前自動重加載的值,繼續(xù)向上或向下計(jì)數(shù)。 此外,如果設(shè)置了TIMx_CR1寄存器中的URS位(選擇更新請求) ,設(shè)置UG位將產(chǎn)生一個更新事件UEV但不設(shè)置UIF標(biāo)志(因此不產(chǎn)生中斷和DMA請求),這是為了避免在發(fā)生捕獲事件并清除計(jì)數(shù)器時(shí),同時(shí)產(chǎn)生更新和捕獲中斷。
當(dāng)發(fā)生更新事件時(shí),所有的寄存器都被更新,并且(根據(jù)URS位的設(shè)置)更新標(biāo)志位(TIMx_SR寄存器中的UIF位)也被設(shè)置。
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