基本计时器TIM4：STM8的定时器/计数器资源综述

计时器概述

计时器的定义

• 如果需要精确地按时间操作单片机，那么就需要使用定时/计数器(简称T/C资源)，下文简称计时器

• 计时器资源是单片机控制芯片的标配，它的功能极为重要，既可以按字面意思用于定时，也可以用于计数

  事实上，定时功能的本质就是依赖时钟源进行计数

计时器的功能原理

• 定时功能

  单片机内部的时钟定期向计数器发送脉冲，计数器记录下接收脉冲的次数，在达到寄存器设定的计数值后产生相应事件或者触发中断，由于时钟脉冲周期固定，所以利用计数器进行延时比之前提到的空操作延时更精确

  • 具体的定时时间=脉冲个数×时钟周期

• 计数功能

  计数脉冲的来源为从时钟源改为外部引脚输入（脉冲到来的时间与个数是不确定的，因此不能定时）对外部引脚输入的电平脉冲进行计数，达到设定值时触发

计时器的分类

• 查阅数据手册 计时器 可知该型号的计时器资源

  STM8S一般拥有四个计时器资源（有的型号有6个），分为三类，彼此相互独立(TIM1/TIM5/TIM6除外，它们三者可以级联)：

• TIM1：16-bit高级控制计时器

  拥有16位（由于STM8是8位控制器，因此16位实际上由两个8位的寄存器分别存放高8位和低8位实现）计数值，分频系数为1~65536；功能最为强大：可以选择外部触发输入为计数脉冲源，有输入捕获、输出比较、PWM产生等功能，4个独立的捕获/比较通道，这些功能在之后会专门介绍

• TIM2/3：16-bit通用计时器

  类似TIM1，也可以进行定时、输入捕获、输出比较，产生PWM信号，不过功能相比TIM1有所缺失，只有一个控制寄存器，输出比较没有死区控制和刹车控制，计数时钟源只能是主时钟，计数值可以有16位，但分频系数为1~32768，捕获/比较通道也比较少，TIM2为3个，TIM3为2个

  某些型号的STM8S还有第三个16位通用计时器TIM5，有3个独立通道，但是比较少见，不再单独介绍

• TIM4：8-bit基本计时器

  功能最为简单的计时器，计数值只有8位，分频系数为1~128

  某些型号还有第二个8位基本计时器TIM6，但是比较少见，不再单独介绍

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计时流程与相关概念

计数时钟CK_CNT初始化

• 计数脉冲源的选择

  • 单片机内部有三种时钟可用作计时，详见时钟源一节；默认使用的主时钟源是HSI，频率为2MHz

  • TIM2/3/4资源的计数时钟源只能是主时钟输出的f_master，这要求我们配置主时钟状态寄存器CLK_CMSR和主时钟切换寄存器CLK_SWR，以此指定一个主时钟

    配置完成后，便确定了单片机的主时钟来源以及频率

  • 如果想要计数而非计时，那就要选择外部的脉冲输入作为脉冲源，之后会在TIM1的章节中单独介绍

• 主时钟源的分频

  • 计时器可以对主时钟输出的f_master分频，能够分频的范围见各个计时器资源的分频系数(注意：和对HSI时钟源的分频不同，计时器是对已经经过分频而产生的f_master再分频)，通过改变时钟的频率与计时器的周期，让计时范围更宽、更灵活

  • 信号处理过程如下：f_master主时钟 -> f_{CK_PSC}预分频时钟 -> f_{CK_CNT}计数器时钟

    在指定好主时钟后，把主时钟信号通过CK_PSC时钟线连接到预分频器(主时钟的频率即CK_PSC时钟的频率)

    再将CK_PSC时钟(计数时钟源输入时钟)分频，最终得到CK_CNT时钟(TIM4资源计数时钟)

  • 分频的值设定通过配置预分频寄存器TIMx_PSCR实现

    配置值会在发生更新事件时送入预分频寄存器的缓冲器中，这个缓冲器相当于上次设定分频值的锁止单元

  • 主时钟(CK_PSC时钟)与分频后得到的TIMx计数时钟(CK_CNT时钟)之间频率计算关系为f_{CK_CNT}= F_{CK_PSC} / 2^PSC[2;0]

计时过程

• 得到CK_CNT时钟后并且被使能后，TIMx资源中的向上计数器从0开始递增计数

• 影子寄存器

  计数过程中，计数器的计数值会与自动重装载寄存器(TIMx_ARR)的影子寄存器中的设定值比较

  影子寄存器的设定值来自自动重装载寄存器ARR，不去直接使用自动重装载寄存器的好处是在修改溢出条件时，计数器溢出条件还能按照改变前的参数执行，因为寄存器的数值还未来得及送入影子寄存器

• 计数模式

  包括上文提到的向上计数(计数值从0递增)，STM8的定时/计数器资源(简称T/C资源)共有三种计数模式，它们分别为：

  • 向上计数：计数值从0开始递增，直至达到TIMx_ARR影子寄存器中的计数最大值后产生“向上计数溢出”
  • 向下计数：计数值从影子寄存器中的计数最大值开始递减，直至达到0时产生“向下计数溢出”
  • 向上向下计数模式(双向计数方式)：计数值从0开始递增，到设定的计数最大值后发生“向上计数溢出”，再递减，到0时发生“向下计数溢出”，两次溢出都产生更新事件

计时结束

• 计数溢出

  • 当达到设定值时，会发生计数溢出

  • 若此时计数资源控制寄存器TIMx_CR1中的UDIS位为0，则产生一个更新事件UEV，且状态寄存器TIMx_SR中的UIF位(更新事件中断标志)被硬件自动置1

  • 若使能了更新中断功能（即中断使能寄存器TIMx_IER中的UIE位设置为1）则在产生更新事件的同时，产生一个更新事件中断UIF，进入中断服务程序

    一般在中断程序中把UIF位清零，以此让计数器重新运作

• 更新事件UEV

  • 由上文可知计数溢出时会发生更新事件UEV，但不一定有更新事件中断UIF

  • 想要发生更新事件,必须保证控制寄存器1(TIM4_CR1)中的禁止更新位(UDIS)为0

  • 更新事件的作用在于其发生时，将会自动完成如下事项：

    • 自动重装载寄存器TIM4_ARR中的配置数据会被存放入其影子寄存器中
    • 预分频寄存器TIM4_PSCR中的预分频值会被写入预分频器的缓冲器中
    • 状态寄存器TIM4_SR中的UIE(更新事件中断标志) 位被置为1

    也就是说：更新事件的意义就是刷新了相关的寄存器配置值

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TIM4计时功能配置流程

• TIM4的功能简单，基本只用来计时，本节用其来演示如何配置计时功能

  要使用其他计时器资源TIM1/2/3等作计时功能时，配置方法相似

TIM4配置简述

1. 预分配系数

   配置TIM4_PSCR寄存器 PSC[2:0]位，设置预分频寄存器数值

2. 确定计时值

   配置自动重装载寄存器TIM4_ARR寄存器ARR的[7:0]位

3. 开启TIM4更新事件中断

   配置TIM4_IER寄存器的UIE位为1，让计时器达到计数值时产生一个中断

   另外，同配置外部中断的流程，要构建计时器中断服务函数，还要使用asm("rim") 在主程序中开启总中断

4. 使能计时器功能

   配置TIM4_CR1寄存器的CEN位为1，让计时器开始运作

TIM4相关寄存器

• 这些寄存器不仅仅为TIM4独有，TIM1/2/3都有相同的寄存器(前缀数字不同以区别)用以配置各计数器资源，不过因为其功能更复杂，一些在TIM4置零的位在TIM1/2/3中可能有特殊的作用，详见各自的寄存器介绍

• 预分频寄存器TIM4_PSCR

  配置分频系数以得到主时钟分频后的CK_CNT时钟，拥有“缓冲器”结构

  其PSC位(0到2位)用于以二进制设定预分频值，其它位必须置0

  分配系数可以是1-128直接的2的任意次幂，即2_^PCS[2;0]，可见PCS取值范围为0-7，也就是最大为111₍₂₎，即7₍₁₀₎

• 控制寄存器TIM4_CR1

  配置与控制TIM4自动重装的载入功能；计数器的运行状态；更新事件与更新中断的功能配置；计数器的启用与关闭

具体配置例：配置该寄存器为5（0000 0101），即让自动重装载寄存器立刻更新，并且设置溢出时产生中断

TIM4_CR1 = 0x05;	//0000 0101
//产生的效果等同下列代码：
TIM4_CR1_ARPE = 0;	//TIM4_ARR的配置值会立刻写入影子寄存器，不必等待中断
TIM4_CR1_OPM = 0;	//计数器在更新事件时不停止
TIM4_CR1_URS = 1;	//更新中断使能时（TIM4_IER_UIE置1），只在计数器溢出时才发送中断请求
TIM4_CR1_UDIS = 0;	//当TIM4_EGR_UG为1时立即产生一次中断
TIM4_CR1_CEN =1;	//使能计数器

• 中断使能寄存器TIM4_IER

  配置更新中断的启用与禁止

  如果需要在更新事件产生的同时产生一个中断信号，则配置该寄存器UIE位(位0)为1

  该寄存器的1至7位都必须保持为0

• 计数值寄存器TIM4_CNTR

  TIM4向上计数器中的计数值

  该计数器的0到7位用于以二进制储存计数器值

• 自动重装寄存器TIM4_ARR

  装载用户设定的计数最大值，有对应的“影子寄存器”

  该计数器的0到7位用于以二进制储存自动重装载值

• 状态寄存器TIM4_SR

  反应是否发生了更新事件

  在发生了更新事件后，该寄存器的UIF位(位0)将会被硬件置1，可以由软件清零

  同中断使能寄存器，1至7位必须保持为0

• 事件产生寄存器TIM4_EGR

  提供一种软件更新事件的配置位

  更新事件可以由计数溢出后产生，也可以人为安排，这种做法即软件更新事件

  对该寄存器UG位(位0)置1，哪怕没有计数溢出也会直接产生一个更新事件

  同上，1至7位必须保持为0

  注意TIM4_CR1控制寄存器1的UDIS位(位1)对更新事件的影响：当其为1(禁止产生更新事件)时，UG位置0不产生更新事件，但计数器与预分频器会被初始化

定时值的配置公式

• 配置TIM2/3/4定时值的公式

  由上文的介绍，可知定时器的定时值（经过多久会产生更新事件）由三个参数决定：主时钟频率，计时器的分频系数，自动重装寄存器ARR的设定值，前两个参数决定数多快，后一个决定数多久

  对于基本的计时器TIM2/3/4来说，这三者的关系公式如下：

  TIMx_ARR=(f_master×t/2^PSCR[3:0])-1，其中主频的单位是MHz，设定时间t单位是us

  • 比如说，主频是默认的2MHz，要求计时1ms，分频值是8，那么：

    PSCR寄存器设定为0x03：分频2³=8

    ARR寄存器设定为(2×1000/8)-1=249，即0xF9

• 配置TIM1定时值的公式

  TIM1是高级计时器，其有一个显著的特点便是对分频的操控更为精细，其有十六位的寄存器来存放分频设定值，其分频系数也不再局限于2^PSCR（即不分频、进行2分频、4分频、8分频等），而是十六位能存放的任意值加上1，因此其公式如下：

  TIM1_ARR=[(f_master×t)/(PSCR[15:0]+1)]-1

  另外TIM1可以配置向上、向下和双向计数模式，上面的公式只适用向上/向下模式，双向模式下需要再给分频值(PSCR[15:0]+1)×2，并且不必减1

代码实现

• TIM4实现定时功能

  此处延时用TIM4计时1s，让LED灯每隔1s变换一次亮灭为实验现象

  初始化TIM4的函数，与主程序、中断服务程序的代码示例：

  unsigned int num = 0;
  
  void TIM4_init()//计时器初始化
  {
    	//设定1ms的时间
  	TIM4_PSCR = 0x03;       //对主时钟进行8分频,250kHz
  	TIM4_ARR = 0xF9;        //自动重装设置为249,1ms
  	TIM4_IER = 0x01;        //开启更新事件中断使能
  	//TIM4_IER_UIE = 1;	直接控制对应位达到同样的效果
  	TIM4_CNTR = 0xF9;       //配置计数初值，这一步不必要
  	//可使其等于溢出值，使一开始计数产生一个更新事件，触发重装并初始化计数器
  	//TIM4_EGR = 1; 也可以通过直接给事件产生寄存器置1达成同样的效果
  	//前提是TIM4_CR1_UDIS=0
  	TIM4_CR1 = 0x01;      //开启计时器
  }
  
  void main()//主程序
  {
  	PB_DDR_DDR0 = 1; //0000 1111 PB0-3被配置为1输出
    	PB_CR1_C10 = 1; //控制寄存器CR1被配置为1推挽输出
  	TIM4_init();
  	asm("rim");//开总中断
  	while(1);
  }
  
  #pragma vector = 25//计数器溢出后的中断函数，TIM4中断号为23,偏移2得25
  __interrupt void TIM4_UPD_OVF_IRQHandler(void)//中断服务函数
  {
    num++;
    TIM4_SR_UIF = 0;//将中断后被置1的中断标志位重置
    if(num >= 1000)//每秒进行一次操作（1000ms）
    {
      PB_ODR_ODR0 = ~PB_ODR_ODR0;
      num = 0;
    }
  }
  

• TIM2/3实现计时功能

  与8位的基本计时器TIM4相比，16位通用计数器最大特点在于：计数值可达16位

  使用两个重装载寄存器来储存装载数值，每个8位，共可储存16位的数值

  TIM2_ARRH储存装载数值的高8位，TIM2_ARRL储存低8位

  例如想要设置触发值为62500₍₁₀₎，即F424₍₁₆₎，那么TIM2_ARRH储存0xF4，TIM2_ARRL储存0x24

  void TIM2_init()
  {
  	TIM2_PSCR = 5;		//设置预分频系数为 2^5=32，即频率为2M/32=62500，
  	TIM2_ARRH = 0xF4;	//设置自动装载寄存器的值为 62499，那么定时中断周期刚好为1s
  	TIM2_ARRL = 0x23;	// 62500转换成十六进制为 0xF423
  	TIM2_CR1 = 0x04;	//设置为更新时计数器不停止，且仅计数器溢出时中断有效
  //	TIM2_CR1_URS = 1;
  	TIM2_EGR = 0x01;	//立即产生一个更新事件，触发重装并初始化计数器
  //	TIM2_EGR_UG = 1;
  	TIM2_IER = 0x01;	//允许更新中断
  //	TIM2_IER_UIE = 1;
  	TIM2_CR1 = 0x01;	//使能定时器
  //	TIM2_CR1_CEN = 1;
  }
  
  void main()
  {
  	TIM2_init();
  	asm("rim");//开总中断
  	……
  }
  
  #pragma vector = TIM2_OVR_UIF_vector	//或者使用向量号加偏移，为15
  __interrupt void TIM2_Overflow_IRQHandler(void)
  {
  	//省略具体语句
  	TIM2_SR1 &= 0xFE;//清除中断标志
  }
  

• TIM1实现计时功能

  同TIM2/3的配置，注意TIM1对分频的控制更为精细，其他计时器的分频系数都是2的次方分频，TIM1却能直接设定分频系数(设定值为分频系数-1)

  注意TIM1功能更多，相应的控制位更复杂，比如IER和CR1的其他位除了控制计时，还能控制很多功能，在之后将会单独介绍，因此不要直接使用=为IER和CR1寄存器赋值，使用|=或者直接配置相应的位

  void TIM1_init(void)
  {
  	TIM1_PSCRH = 0;
  	TIM1_PSCRL = 15;//进行16分频
  	//因为TIM1有多个配置项需要分别配置高低位两个寄存器，为了设定方便，下面是使用一个16位的变量set_num配置两个寄存器的方法
  	TIM1_ARRH = (uint8_t)(set_num>>8);//配置高8位计数值
  	TIM1_ARRL = (uint8_t)set_num&0x00FF;//配置低8位计数值
  	/*
  	TIM1_CNTRH =……;
  	TIM1_CNTRL =……;
  	默认的计数器寄存器值为0，这一步并非必须
  	但如果需要计数器启动后立即中断一次，可以同ARR配置
  	*/
  	TIM1_IER |= 0x01;//UIE位置1，开启溢出中断
  }
  
  void main()
  {
  	TIM1_init();
  	TIM1_CR1 |= 0x01;//可以把使能计数器这一步单独拿出来
  	asm("rim");//开总中断
  	……
  }
  
  #pragma vector = 0x0D//TIM1中断向量号
  __interrupt void TIM1_UPD_OVF_TRG_BRK_IRQHandler()
  {
  	//省略具体语句
  	TIM1_SR1 &= 0xFE;//清除溢出中断标志位UIF
  }
  

  关于计时器的故障

  • 我在自己编写实验程序时，曾遇到过定时器无法正确进入中断复位程序的情况，在网上查询时发现有很多人有类似经历，我在摸索许久后将排障的方法记录下来，希望对你的问题有所帮助
  1. 首先，确保定时器的故障不是硬件问题而是软件问题，比如说：给单片机烧录一段简单的测试代码，观察实验现象，就比如上文的LED定时闪烁，哪一个定时器资源出问题就用哪一个TIM来做，务必新开一个工作空间来做这个实验，而不要在已经有问题的程序上修改
  2. 确定单片机硬件没有问题（绝大多数情况都是软件问题）后回到有错的项目中检测TIM相关的代码，易错点包括：初始化时各项参数设定有问题，初始化后没有使能计数器，没有开总中断，在中断服务程序中没有清除中断标志位
  3. 如果对以上代码进行修改都没有解决问题，那么最大的可能是中断服务程序本身有问题，IAR编译器无法给一些现象异常而语法上没有错误的程序报错，因此把有问题的程序烧进了单片机，把放在中断服务程序中调用的函数注释掉，换成LED状态取反闪烁这样的测试代码，看实验现象，如果还是有问题说明TIM还没有配置好，返回第二步，如果正常了，就去修改调用的函数