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嵌入式学习笔记——SysTick(系统滴答)

article 2024/11/13 14:42:26

系统滴答

前言
SysTick概述
- SysTick是个啥
- SysTick结构框图
- - 1. 时钟选择
  - 2.计数器部分
  - 3.中断部分
  - 工作一个计数周期（从重装载值减到0）的最大延时时间
  - 工作流程
- SysTick寄存器
- - 1.控制和状态寄存器SysTick->CTRL
  - 2.重装载值寄存器SysTick->LOAD
  - 3.当前值寄存器SysTick->VAL
  - 4.校准值寄存器
- 配置流程
代码
利用系统滴答实现时间片轮询
- 效果
总结

前言

上一篇中，介绍了关于STM32F407的时钟系统，在了解了系统的时钟后，最重要的内容就是搞定定时器的操作，本文从最基本的定时器，也是内核里面自带的一个定时器——SysTick(系统滴答)来进行介绍。旨在搞清楚什么是系统滴答，系统滴答有什么用，系统滴答怎么用。

SysTick概述

SysTick这个词其实之前出现过，在介绍中断的时候，就是下面这个图，SysTick就出现了，看他的位置，在图中阴影部分内，也就是说，SysTick是内核里面的属于NVIC的一部分；不是类似USART、GPIO的片上外设，而是一个内核内的外设；看图中有个箭头指向了NVIC，说明它是可以像前面用过的EXTI、USART来产生中断的。
在这里插入图片描述

SysTick是个啥

关于是个啥这种问题，实在是不好表述，咱还是让官方来作答吧。
在这里插入图片描述
看了上面的描述，会有一个大致的概念，首先，它是一个可编程的系统定时器，其次，它被用来做延时和计时的操作，然后还可以触发中断。有一点需要纠正，上面说它是一个32位的自动递减计数器，这点有误，在STM32F407中，它是一个24位的自动递减计数器。
这里一直在说系统滴答是个定时器，那么定时器是个啥，直白点说，定时器就是一个按照时间规律递增或者递减的计数器，在STM32中这个时间规律就是时钟，例如，我们假设系统滴答的时钟是168MHZ；那么系统滴答这个定时器就会在一秒钟内，从0自增到168 000 000；同样的换个方向来理解，就是说计数器计满168000 000就是1s钟的时间。至于递减和递增，递减就是说计数器的初始有我们给定，然后计数器就从这个值开始做自减；而自增则是，我们给定值，然后计数器从0开始自增，一直增加到这个数。

好了，在有了一个大致的映像后，下面就来具体分析它的结构和功能。

SysTick结构框图

由于系统滴答是内部定时器，所以在ST公司的中文参考手册是找不到的，只有在ARM的权威指南中才可以找到相关描述，具体位置在M3和M4权威指南的第九章第五节。
在这里插入图片描述
下拉就可以看见系统框图：
还是按照老套路，把能够省略部分先噶了，这里可以很明显的看见最下面红框与上面的东西都没有联系，所以它是可以噶了的，他的作用就是校准SysTick的，一般来说，SysTick就是使用的系统时钟，如果这个不准了，那么多半这个单片机也命不久矣，所以这个东西可以直接不看。
在这里插入图片描述
去掉不需要看的，接下来就分模块一个部分一个部分的来介绍。

1. 时钟选择

如下图，左侧的红框代表的就是系统滴答的时钟输入选部分；绿色框内是一个二选一数据选择器，两个输入分别是处理器时钟以及经过上升沿检测的参考时钟；执行选择的是下方的“控制和状态寄存器的第2位”，具体的选择流程在寄存器部分会详细介绍。然后时钟就给到了计数器。
在这里插入图片描述
既然有两个输入的时钟，那么这两个时钟具体是指什么呢？
其一是处理器时钟，也就是我们说的主频，对于STM32F407来说对应168MHZ；那么另外一个参考时钟是什么呢？其实这个时钟在昨天的时钟树介绍中也出现了。如下图所示，橙色框中的到Cortex系统定时器的就是这里的参考时钟，可以发现，它经过了一个8分频的分频器，也就是说这个时钟的频率应该是168/8=21Mhz。

在这里插入图片描述

2.计数器部分

计数器简化后如下图所示，这是一个计数器的最基本结构，首先有三部分输入：
1.时钟基准：这个时钟直接决定了这个计数器多少时间执行一次计数；
2.重装载值：上方的重装载值直接决定了计数器的最大计数值；
3.控制部分：控制部分直接决定了计数器什么时刻开始计数，什么时候关闭计数，这里的第0位就是用来控制计数器是否计数的。
在这里插入图片描述
然后是输出部分，输出只有一个方向，就是4的位置，注意描述：当计数器从1减到0的时候会触发，而且这个触发是指向了“控制和状态寄存器”的，这就说明，当计数完成的时候，在“控制和状态寄存器”中会有对应的位，让我么来判断计时是否完成。
最后，最主要的部分，就是橙色框的24位向下计数器，它的作用就是隔一段时间将数值减一。当然，这里的明子就叫向下计数器，那么肯定还有对应的向上计数器，以及中心对齐的计数器，这个在后面基本通用和高级定时器中会碰到，遇到了再说。

3.中断部分

然后这个图还剩最后一部分，就是有关中断的了，这里有一个与门，与门的输入一个来自计数器技术完成后的标志，另一个来自“控制与状态寄存器”的第1位，也就是中断使能，说明在需要使用到中断的过程中，需要使能这个位才能开启中断。

在这里插入图片描述

工作一个计数周期（从重装载值减到0）的最大延时时间

弄清楚了上面的结构后，就可以计算出两个频率下，计数器工作一个周期，最长所需要花费的时间。
最大的重装载值：2^24=16777216
系统滴答具备两个时钟源：
内核时钟：主频提供时钟 168MHZ
最大的延时时长：1S16777216/168 000 000=0.09986S
0.09986s---->99.8ms
外部时钟：由AHB线提供 21MHZ
最大的延时时长：1S16777216/21 000 000=0.7989 S
0.7989s-----》798.9ms

工作流程

根据框图的分析，可以大致总结出系统滴答的初始化流程：

{
	①选择时钟；
	②根据自己所需时间计算出重装载值；
	③使能计数器；
	④判断对应的标志位是否到了，到了说明计时到了，没到说明计时还没到
}

SysTick寄存器

其实根据框图，寄存器也已经猜的七七八八了，还是具体的看一眼，关于系统滴答一共有四个寄存器。
在这里插入图片描述

1.控制和状态寄存器SysTick->CTRL

在这里插入图片描述
写法：SysTick->CTRL
功能：对系统滴答定时器做控制，以及读取对应的状态
第0位：ENALEB
置1：使能计数器一直重复工作
置0：失能计数器

第1位：中断使能位计数标志一定会置1/中断标志
置1：使能中断
置0：失能中断

第2位：选择时钟源默认1
置1：选择内核时钟 168MHZ
置0：外部参考时钟 21MHZ

第16位：标志位只读
为1：计数器到0则返回1
为0：读取时清零
读取时的具体写法：

while(! (SysTick->CTRL & (1<<16)) );

2.重装载值寄存器SysTick->LOAD

在这里插入图片描述
写法: SysTick->LOAD
功能：提供计数器的最大值
用法：直接写入需要写入的最大计数值
不能超过最大的重装载值范围（0-1667216）
SysTick->LOAD=arr-1；
这个值具体写入多少，要结合需求，计算出大小

3.当前值寄存器SysTick->VAL

写法：SysTick->VAL
功能：存储计数器的当前值
读取这个寄存器：能够获取到计数器的当前值
写入这个寄存器：任意值都能清除计数标志位

4.校准值寄存器

在分析框图的时候提到过，这个一般不用。

配置流程

这里的配置流程分为两类：
其一是实现一个延时功能，延时功能只需要定时器工作一个周期，也就是从重装载值减到一的一个过程，执行一次后需要关闭定时器，不让他还会不停的从重装载值减到0然后又从重装载值减到0无限循环。
伪代码：

实现系统的us延时（参数）
{
   //选择时钟 建议选择外部时钟
   //写入重装载值  21*参数
   //当前值清零
   //打开计数器
   //等待标志位置1
   //关闭计数器
}

其二就是利用中断，一定时间进一次中断，以此来实现一个时间片轮询的操作方式。这时候，就需要定时器一直计数了，所以不能计数完成后就关闭计数器了。伪代码如下：

系统滴答的初始化代码
{
   //选择系统滴答的时钟
   //配置系统抵达的重装载值
   //当前值清零
   //打开中断使能
   
   //NVIC控制器

   //开启定时器   
}
中断服务函数
{
	判断标志；
	清楚标志；
	执行操作。
}

代码

#include "SysTick.h"
u16 SysTick_us;
u16 SysTick_ms;


/*******************************
函数名：SysTick_Init
函数功能：初始化系统滴答，选择外部时钟
函数形参：u32 sysclk 系统时钟168（MHZ）
函数返回值：void
备注：开启1ms中断

********************************/
void SysTick_Init(u32 sysclk) //168MHZ
{
	u32 pri;//存储优先级合成函数返回的优先级
	
	SysTick->CTRL &=~(1<<2); //选择外部时钟，必须清零默认是1内核时钟
	SysTick_us=sysclk/8;           //21     1us//外部时钟8分频
	SysTick_ms=SysTick_us*1000;            //21 000  1ms
	
	SysTick->LOAD = SysTick_ms-1;//重装载值21000-1
	SysTick->VAL=0;    //清空计数器,清标志位
	SysTick->CTRL |=1<<1;   //使能中断 

/*-----------------------配置NVIC---------------------------------------------*/	
	pri=NVIC_EncodePriority(7-2,1,2);
	NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn,pri);
	NVIC_EnableIRQ(SysTick_IRQn);
	
		SysTick->CTRL |=1<<0;   //使能计数器  
}


/*******************************
函数名：SysTick_Delay_us
函数功能：系统滴答实现us延时
函数形参：u32 nus
函数返回值：void
备注：
//因为LOAD为24位，所以最大重装载值16,777,216
最长时间：形参最大值，798,915us

********************************/
void SysTick_Delay_us(u32 nus)//1us
{
	SysTick->LOAD =nus*SysTick_us;//传进来的参数*21  nus 传多少就是多少微秒
	SysTick->VAL=0;    //清空计数器,清标志位
	SysTick->CTRL |=1<<0;   //使能  
	while(!(SysTick->CTRL & 1<<16));//等待计数完成
	SysTick->CTRL &=~(1<<0);  //关闭计数器
	SysTick->VAL=0;     //清空计数器,清标志位
}
/*******************************
函数名：SysTick_Delay_ms
函数功能：系统滴答实现ms延时
函数形参：u32 nms
函数返回值：void
备注：
形参最大值798ms
********************************/
void SysTick_Delay_ms(u32 nms)
{
	SysTick->LOAD =nms*SysTick_ms;//传进来的参数*21  nms 传多少就是多少毫秒
	SysTick->VAL=0;    //清空计数器,清标志位
	SysTick->CTRL |=1<<0;   //使能  
	while(!(SysTick->CTRL & 1<<16));//等待标志位到
	SysTick->CTRL &=~(1<<0);  //关闭计数器
	SysTick->VAL=0;     //清空计数器,清标志位
}
//中断服务函数：

/*******************************
函数名：SysTick_Handler
函数功能：系统滴答的中断服务函数函数
函数形参：无
函数返回值：void
备注：1ms进一次中断
********************************/
void SysTick_Handler(void)
{
	static u8 i=100;
	while(SysTick->CTRL &(1<<16))//检测中断标志，同时也是清除标志位
		mtime--;
		Led_cnt++;
		_TIMER_1MS++;
		i--;
	if(i==0){
		i = 100;
		_TIMER_100MS ++;
	}
}

利用系统滴答实现时间片轮询

使用时间片轮询的方式编程，可以很好地解决之前遇见的阻塞问题，在系统滴答里面定义好对应的计时变量，然后根据这个计时变量来执行所需要的操作。
如下图所示：这里笔者一共选取了三个时间变量分别计时1S、100ms、200ms，其中一秒钟的时序对应一次串口打印输出；100ms与200ms分别对应LED1和LED2的闪烁；除此之外还有一个轮询为0的情况用来存放不需要严格时序刷新的任务。
在这里插入图片描述