嵌入式系统原理[笔记]：SysTick滴答计时器

写在前面：

本文代码基于STM32G431Rx开发板，G4系列基本通用

本文主要内容：

• Systick计时器的特点
• 相关的寄存器
• 代码中主要调用的库函数
• 软件运行配置
• 自定义延迟时长的4种代码实现

Systick定时器简介

Systick定时器是一个简单的定时器，对于ST的CM3,CM4,CM7内核芯片，都有Systick定时器（没有差别）

特点

• 常用来做延时，或者实时系统的心跳时钟（心跳时钟用在实时操作系统中进行调度）

  • 可以节省MCU资源，不用浪费一个定时器
  • 比如UCOS中，分时复用，需要一个最小的时间戳，一般在STM32+UCOS系统中，都采用Systick做UCOS心跳时钟

• Systick定时器就是系统滴答定时器，一个24位的倒计数定时器

  • 计到0时，将从RELOAD寄存器（初始值存储在这个寄存器中，默认值为2^24）中自动重装载定时初值
  • 只要不把它在SysTick控制及状态寄存器中的使能位清除，就永不停息，即使在睡眠模式下也能工作

• SysTick定时器被捆绑在NVIC（是一个嵌入式的中断向量控制寄存器）中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15，异常级别最低，异常号越小中断优先级越高）

  • 优先级可以被设置
  • 单片机系统分为前台和后台：前台平时不做事，只有有任务的时候被后台唤醒

相关寄存器

冯诺依曼结构中，寄存器地址编号同时包含了RAM和ROM的地址

寄存器	地址（相差4个字节）	功能
CTRL	0xE000E010	SysTick 控制和状态寄存器
LOAD	0xE000E014	SysTick 自动重装载除值寄存器
VAL	0xE000E018	SysTick 当前值寄存器
CALIB	0xE000E01C	SysTick 校准值寄存器

上图为程序运行时寄存器的实际状态

控制和状态寄存器CTRL

默认情况下采用内核时钟（FCLK）

调用HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig()函数，传递参数为1，即采用内核时钟（传递参数为0则采用外部时钟源）

重装载数值寄存器LOAD

32位寄存器，但只用了24位

当前值寄存器VAL

Systick库函数

HAL库中的Systick相关函数

1. stm32fGxx_hal_cortex.h文件中
   HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig ()：用于Systick时钟源选择（需要用户自己调用）
2. core_cm4.h文件中
   SysTick_Config (uint32_t ticks)：初始化Systick时钟为HCLK，并开启中断（传递参数为滴答时钟的计数值，按照毫秒计数一次）
3. void HAL_IncTick(void)：在滴答定时器中断里面被调用，全局变量uwTick每毫秒加1
4. void HAL_Delay(uint32_t Delay)：阻塞式延迟，默认单位是ms
5. uint32_t HAL_GetTick(void)：用于获取全局变量uwTick当前的计数
6. uint32_t HAL_GetTickPrio(void)：获取滴答时钟优先级
7. HAL_StatusTypeDef HAL_SetTickFreq(uint32_t Freq)：设置中断频率
8. uint32_t HAL_GetTickFreq(void)：获取时钟中断频率
9. void HAL_SuspendTick(void)：挂起滴答定时器
10. void HAL_ResumeTick(void)：恢复滴答定时器

Systick中断服务函数

1. void SysTick_Handler (void);
   每毫秒响一次（默认情况下滴答时钟的中断服务号为15，也就是Systick时钟的优先级为15）

配置

STM32CubeMx: Clock

MHz对应微秒级，KHz对应毫秒级，\( \frac{1*16}{16000}=1ms \)

系统刚复位的时候，即外部时钟没有生效时，要先使用内部时钟（HSI RC，16MHz），此时系统时钟SYSCLK为16MHz（16000000Hz = 16000KHz）

外部时钟稳定后（即不震荡）才能被使用

下面两张图为STM32CubeMx中Clock的设置部分：

中断

使用NVIC，需要做三件事：

1. 首先为我们使用的中断源配置中断向量表
2. 配置NVIC寄存器来启用NVIC中断和设置NVIC终端的优先级

3. 使能中断：

   1. 与向量表里名称相对应的ISR（中断服务程序）

   void Systick_Handler(void){
   ...
   }

   2. 有了中断向量表配置和ISR原型定义，我们可以配置NVIC来处理Systick定时器中断

总结：通常情况下，需要做两件事——设置中断的优先级，然后使能中断源。NVIC寄存器位于系统控制空间

时钟源

HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig函数（在stm32g4xx_hal_cortex.c头文件中）

该函数从未被调用

初始值、中断与控制

SysTick_Config函数（在core_cm4.h头文件中——放到头文件里作为内联函数使用）

在该函数中改变了CTRL寄存器的值

Systick应用

us（微秒级）延时

HAL_Delay

实例

法1：利用HAL_Delay()

在main.c函数中增加下列代码（注意代码的书写位置严格按照注释，否则可能报错！）

在stm32g4xx_it.c中，增加下列代码

法2：利用SysTick_Handler ()中断服务

法3：利用SysTick_Handler()中断服务和回调函数

函数指针与回调函数

函数指针

• 每个函数都占用一段内存单元，他们有一个入口地址（起始地址）
• 在C语言中，函数名代表函数的入口地址
• 可以定义一个指针变量，接收函数的入口地址，让他指向函数，这就是指向函数的指针，也称为函数指针
• 通过函数指针可以调用函数，它也可以作为函数的参数

定义

• 函数指针定义的格式为：类型名(*变量名)(参数类型表);

  • 类型名指定函数返回值的类型，变量名时指向函数的指针变量的名称

• 例如：int (*funptr) (int, int);

  • 定义一个函数指针funptr，它可以指向有两个整型参数且返回值类型为int的函数

调用函数

• 通过函数指针调用函数的一般格式为：(*函数指针名)(参数表)

• 例如：

  int fun (int x, int y);
  int (*funptr) (int, int); 
  funptr = fun;
  (*funptr) (3, 5); // 变量的内容发生改变
  //(*funptr)是一个整体，指向函数fun

回调函数

• 回调函数就是一个通过函数指针调用的函数。如果把函数的指针（地址）作为参数传递给另一个函数，当这个指针被用为调用它所指向的函数时，我们就说这是回调函数

  来自Stack Overflow某位大神简洁明了的表述：A "callback" is any function that is called by another function which takes the first function as a parameter。 也就是说，函数 F1 调用函数 F2 的时候，函数 F1 通过参数给 函数 F2 传递了另外一个函数 F3 的指针，在函数 F2 执行的过程中，函数F2 调用了函数 F3，这个动作就叫做回调（Callback），而先被当做指针传入、后面又被回调的函数 F3 就是回调函数。

• 回调函数可用于通知机制

法4（法3简化版，推荐使用）

在variable.h头文件中，添加下列结构体声明

typedef struct SystickHandler{
    uint32_t u32Counter;
    uint32_t u32Period;
    void (*pInit)(void);
    void (*pCallBack)(void);
}stSystickHandler;

在main.c中的Private variables部分，添加下列代码，实现对结构体内变量的初始化

void LedFlash(void);

// 初始化结构体内的变量
stSystickHandler sSystickHandler = {
    .u32Counter = 0, // 计数器
    .u32Period = 1000, // 设置周期为1000，即1s闪烁一次
    .pCallBack = LedFlash, // 回调函数
};
    
// 回调函数
void LedFlash(void){
    // 当计数器的值大于周期时，LED闪烁一次，并将计数器清零
    if(sSystickHandler.u32Counter > sSystickHandler.u32Period - 1){
        HAL_GPIO_TogglePin(TickLED_GPIO_Port, TickLED_Pin);
        sSystickHandler.u32Counter = 0;
    }
    // 计数器+1，不闪烁
    else{
        sSystickHandler.u32Counter ++;
    }
}

在stm32g4xx_it.c中的External variables部分，添加下列外部变量声明

extern stSystickHandler sSystickHandler;

在stm32g4xx_it.c中的void SysTick_Handler(void)函数中，添加下列代码，调用回调函数

if(sSystickHandler.pCallBack){
    sSystickHandler.pCallBack();
}