SysTick 定時器-有解無憂

11.1關于 SysTick 定時器

SysTick定時器(又名系統滴答定時器)是存在于Cortex-M3的一個定時器，只要是ARM Cotex-M系列內核的MCU都包含這個定時器，使用內核的SysTick定時器來實作延時，可以不占用系統定時器，節約資源，由于SysTick是在CPU核內部實作的，跟MCU外設無關，因此它的代碼可以在不同廠家之間移植，

本章將使用系統滴答定時器實作延時函式，注意 SysTick 用于了 HAL 庫的毫秒級延時函式“HAL_Delay()”，不建議日常使用SysTick去作為其它用途，這里只作為演示，

SysTick定時器是一個24位遞減定時器，即計數器可以從最大值224開始，每個時鐘周期減1，當減到0時，會產生Systick例外，同時再自動多載定時初值，開始新一輪計數，通過設定這個定時初值，就可以實作得到指定時間，如下圖 11.1.1 所示，y為定時器初值，然后隨著時間增加，值逐漸減小，直至為0，再重新加載初值，如此往復，x1、x2、x3這些時間段，就是我們需要的延時時間，

假設STM32F103作業在72MHz，即72000000Hz，意味著1s時間內，會計數72000000次，那么1ms則計數72000000/1000=72000次，這個72000就可以作為系統滴答定時器的初始值，將這個值寫入系統滴答定時器，定時器在每個時鐘周期減1，減到0時，就剛好是1ms，同時產生中斷通知，再次加載72000如此反復，HAL庫提供“HAL_SYSTICK_Config()”函式去設定這個初始值，

系統滴答定時器控制暫存器比較少，整體比較簡單，借助本次機會詳細分析一下暫存器和HAL之間是呼叫關系，系統滴答定時器只有四個控制暫存器：STK_CTRL，STK_LOAD，STK_VAL和STK_CALIB，因為系統滴答定時器屬于Cotex-M3內核的外設，相關暫存器介紹不在《參考手冊》，而在《3_STM32F10xx Cortex-M3編程手冊》，后簡稱《編程手冊》，

系統滴答定時器控制和狀態暫存器（STK_CTRL）

重點關注Bit[0]，用于使能系統滴答定時器，Bit[1]使能系統滴答定時器中斷，Bit[2]系統滴答時鐘的時鐘來源，

系統滴答定時器加載值暫存器（STK_LOAD）

Bit[23:0]，一共24位，用來設定系統滴答定時器的初始值，因此范圍為1~ 16777216，

系統滴答定時器當前值暫存器（STK_VAL）

Bit[23:0]，一共24位，用來獲取當前系統滴答定時器的計數值，

系統滴答定時器校準值暫存器（STK_CALIB）

這個暫存器沒用到，可以不用管，此外，當處理器在除錯期間被暫停（halt）時，系統滴答定時器也將暫停運作，

在理解系統滴答定時器的作業方式，了解系統滴答定時器的暫存器基本資訊后，就可以嘗試撰寫程式了，

11.2硬體設計

系統滴答定時器屬于Cortex-M3內核資源，不涉及外部硬體電路，實驗中會用到LED燈，電路設計參考前面LED點燈實驗，

11.3軟體設計

11.3.1.1 軟體設計思路

實驗目的：使用系統滴答定時器實作自定義延時，

分析HAL庫的系統滴答定時器配置函式；
初始化系統滴答定時器（設定計數初值、使能等）；
封裝延時函式，設定系統滴答定時器中斷處理函式；
主函式呼叫驗證；
本實驗配套代碼位于“5_程式原始碼\4_基礎重點—SysTick定時器”，

11.3.1.2 軟體設計講解

分析HAL庫的系統滴答定時器配置函式
在HAL庫中，使用“HAL_SYSTICK_Config()”函式配置SysTick的初始值，
代碼段 11.3.1 SysTick 配置函式（stm32f1xx_hal_cortex.c）

/**
* @brief Initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
* Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.
* @param TicksNumb: Specifies the ticks Number of ticks between two interrupts.
* @retval status: - 0 Function succeeded.
* - 1 Function failed.
*/
uint32_t HAL_SYSTICK_Config(uint32_t TicksNumb)
{
return SysTick_Config(TicksNumb); }

該函式呼叫“SysTick_Config()”函式，函式內容如下代碼段 11.3.2所示，
代碼段 11.3.2 SysTick 配置函式（core_cm3.h）

/* ################################## SysTick function ############################################ */
/**
\ingroup CMSIS_Core_FunctionInterface
\defgroup CMSIS_Core_SysTickFunctions SysTick Functions
\brief Functions that configure the System.
@{
*/
#if defined (__Vendor_SysTickConfig) && (__Vendor_SysTickConfig == 0U)
/**
\brief System Tick Configuration
\details Initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.
\param [in] ticks Number of ticks between two interrupts.
\return 0 Function succeeded.
\return 1 Function failed.
\note When the variable <b>__Vendor_SysTickConfig</b> is set to 1, then the
function <b>SysTick_Config</b> is not included. In this case, the file <b><i>device</i>.h</b>
must contain a vendor-specific implementation of this function.
*/
__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)
{
return (1UL); /* Reload value impossible */
}
SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL); /* set reload register */
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL); /* set Priority for Systick Interrupt */
SysTick->VAL = 0UL; /* Load the SysTick Counter Value */
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
return (0UL); /* Function successful */
}
#endif

24~27行：判斷傳入的SysTick初始值是否大于最大值2的24次方；
29行：設定SysTick初始值;
30行：設定SysTick中斷的優先級，默認為最低；
31行：將SysTick當前計數值清零；
32~34行：設定SysTick的控制和狀態暫存器，展開對應的宏，值為“(1<<2) | (1<<1) | (1)”，結合前面STK_CTRL暫存器介紹，可知這里使能了SysTick，使能了SysTick中斷，時鐘源為AHB，當系統時鐘為72MHz時，AHB不分頻，也為72MHz，則SysTick的時鐘也為72MHz，

通過對“HAL_SYSTICK_Config()”函式分析，可知只需要傳入SysTick初始值，其它的都默認已經設定完成了，

初始化系統滴答定時器
假設當MCU作業在72MHz，SysTick也作業在72MHz，時鐘在1s內完成周期性變化的次數叫做頻率（單位：Hz），因此72MHz則表示1秒SysTick計數72000000次，即1毫秒計數72000次，
因此，如果將72000傳入“HAL_SYSTICK_Config()”函式，則SysTick從72000減到0，花費時間為1毫秒，創建函式“SysTickInit()”初始化系統滴答定時器，如代碼段 11.3.3 所示，
代碼段 11.3.3 初始化 SysTick（driver_systick.c）

/*
* 函式名：void SysTickInit(uint32_t cycle)
* * 輸入引數：cycle,設定系統滴答時鐘周期
* 輸出引數：無
* 回傳值：無
* 函式作用：初始化系統滴答時鐘的頻率和中斷優先級
*/
void SysTickInit(uint32_t cycle)
{
uint32_t init_t = 0;
init_t = SystemCoreClock/cycle;
/* 時間(單位:s)=1/頻率(單位:HZ)
* SystemCoreClock 頻率: 72MHz = 72,000,000
* 即 MCU 1 秒會計數 72,000,000 次 * 1ms 則計數 72MHz/1000 = 72000 次 * 72000 就是滴答時鐘的初始值,它向下計數 72000 次,計數將變為 0,就會產生一次中斷
* 滴答時鐘初始值范圍:1~16777216
** SystemCoreClock/1000: 1ms 中斷一次
* SystemCoreClock/100000: 10us 中斷一次
* SystemCoreClock/1000000: 1us 中斷一次
*/
if(HAL_SYSTICK_Config(init_t) != HAL_OK)
{
Error_Handler(); }
// 設定滴答定時器中斷優先級：最高
HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
// 使能滴答定時器中斷
HAL_NVIC_EnableIRQ(SysTick_IRQn); }

12行：使用HAL庫提供的全域變數“SystemCoreClock”獲取當前系統時鐘，再根據傳入的cycle，計算出
SysTick的初始值；
25~28行：使用“HAL_SYSTICK_Config()”函式設定SysTick的初始值，并檢測是否設定成功;
31行：設定滴答定時器中斷優先級，這里設定為最高，前面分析“HAL_SYSTICK_Config()”函式，知道該函式也會設定中斷優先級，這里重新設定為最高優先級，在當前示例里，SysTick中斷的優先級不重要；
33行：使能SysTick中斷；這里是使能NVIC，而“HAL_SYSTICK_Config()”函式使能的是SysTick；

為了方便修改SysTick的初始值，這里定義幾個常見的延時周期，如代碼段 11.3.4 所示，當需要延時周期為1毫秒時，傳入“CYCLE_1MS”給“SysTickInit()”，則SysTick計數到零花費1毫秒

代碼段 11.3.4 定義延時周期（driver_systick.h）

#define CYCLE_100MS 10
#define CYCLE_10MS 100
#define CYCLE_1MS 1000
#define CYCLE_100US 10000
#define CYCLE_10US 100000
#define CYCLE_1US 1000000

封裝延時函式，設定系統滴答定時器中斷處理函式
創建延時函式“SysTickDelay()”，在該函式里設定自定義全域變數systick_t的初始值，SysTick每計數完一次則進入SysTick中斷，將全域變數systick_t的值減1，如代碼段 11.3.6 所示，一直到systick_t變為零，結束延時，如代碼段 11.3.5 所示，

代碼段 11.3.5 SysTick 延時函式（driver_systick.c ）

/*
* 函式名：void SysTickDelay(uint16_t m)
* 輸入引數：m-延時時間
* 輸出引數：無
* 回傳值：無
* 函式作用：滴答定時器實作的延時函式
*/
void SysTickDelay(uint32_t m)
{
systick_t = m;
while(systick_t != 0);
}

代碼段 11.3.6 SysTick 中斷處理函式（stm32f1xx_it.c）

/*
* @brief This function handles SysTick Handler.
* @param None
* @retval None
*/
void SysTick_Handler(void) {
HAL_IncTick();
if(systick_t) {
systick_t--; } }

主函式呼叫驗證
代碼段 11.3.7 SysTick 延時點燈（main.c）

/*
* 初始化滴答時鐘
* * 通過改變傳入引數改變滴答時鐘的頻率，即 SysTickDelay(1)的時長
*/
SysTickInit(CYCLE_1MS);
// 初始化 LED
LedGpioInit();
while(1) {
/* 通過延時一段時間讓 LED 亮滅實作 LED 閃爍，可以通過示波器打 LED 的引腳反轉周期，精確看時間是否與設定的一致*/
RLED(ON); // 點亮 LED
SysTickDelay(1000); // 延時 CYCLE_1MS*1000=1s
RLED(OFF); // 熄滅 LED
SysTickDelay(1000); // 延時 CYCLE_1MS*1000=1s
}

5行：初始化SysTick，這里傳入CYCLE_1MS，則延時函式“SysTickDelay()”的單位為1毫秒；
7~16行：初始化LED，呼叫延時函式“SysTickDelay()”，傳入1000，則延時為1秒；

11.4實驗效果

本實驗對應配套資料的“5_程式原始碼\4_基礎重點—SysTick定時器\”，打開工程后，編譯，下載，可以看到紅色LED燈間隔1秒，交替閃爍，讀者可修改代碼段 11.3.7 中的第5行時鐘周期，或者13、15行的延時時間，改變LED燈的閃爍間隔時間，

通過LED展示SysTick的延時結果不夠嚴謹，有條件的讀者可以使用示波器或邏輯分析儀測驗LED燈對應引腳（PB0，在J21_3引出）的翻轉時間，如圖 11.4.1 所示，分別修改延時時間10us、1ms、1s后邏輯分析儀測量值，

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