第18章 SysTick—系统定时器—零死角玩转STM32-F429系列

第18章 SysTick—系统定时器

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本章参考资料《 ARM Cortex™-M4F 技术参考手册》-4.5 章节SysTick Timer(STK)，和4.48章节SHPRx，其中STK这个章节有SysTick的简介和寄存器的详细描述。因为SysTick是属于CM4内核的外设，有关寄存器的定义和部分库函数都在core_cm4.h这个头文件中实现。所以学习SysTick的时候可以参考这两个资料，一个是文档，一个是源码。

18.1 SysTick简介

SysTick—系统定时器是属于CM4内核中的一个外设，内嵌在NVIC中。系统定时器是一个24bit的向下递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK，一般我们设置系统时钟SYSCLK等于180M。当重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。

因为SysTick是属于CM4内核的外设，所以所有基于CM4内核的单片机都具有这个系统定时器，使得软件在CM4单片机中可以很容易的移植。系统定时器一般用于操作系统，用于产生时基，维持操作系统的心跳。

18.2 SysTick寄存器介绍

SysTick—系统定时有4个寄存器，简要介绍如下。在使用SysTick产生定时的时候，只需要配置前三个寄存器，最后一个校准寄存器不需要使用。

表 181 SysTick寄存器汇总

寄存器名称	寄存器描述
CTRL	SysTick控制及状态寄存器
LOAD	SysTick重装载数值寄存器
VAL	SysTick当前数值寄存器
CALIB	SysTick校准数值寄存器

表 182 SysTick控制及状态寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
16	COUNTFLAG	R/W	0	如果在上次读取本寄存器后， SysTick 已经计到 了 0，则该位为 1。
2	CLKSOURCE	R/W	0	时钟源选择位，0=AHB/8，1=处理器时钟AHB
1	TICKINT	R/W	0	1=SysTick倒数计数到 0时产生 SysTick异常请 求，0=数到 0 时无动作。也可以通过读取COUNTFLAG标志位来确定计数器是否递减到0
0	ENABLE	R/W	0	SysTick 定时器的使能位

表 183 SysTick 重装载数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	当倒数计数至零时，将被重装载的值

表 184 SysTick当前数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	CURRENT	R/W	0	读取时返回当前倒计数的值，写它则使之清零，同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG 标志

表 185 SysTick校准数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
31	NOREF	R	0	NOREF flag. Reads as zero. Indicates that a separate reference clock is provided. The frequency of this clock is HCLK/8
30	SKEW	R	1	SKEW flag: Indicates whether the TENMS value is exact. Reads as one. Calibration value for the 1 ms inexact timing is not known because TENMS is not known. This can affect the suitability of SysTick as a software real time clock
23:0	TENMS	R	0	Calibration value. Indicates the calibration value when the SysTick counterruns on HCLK max/8 as external clock. The value is product dependent, please refer to theProduct Reference Manual, SysTick Calibration Value section. When HCLK is programmed atthe maximum frequency, the SysTick period is 1ms. If calibration information is not known, calculate the calibration value required from thefrequency of the processor clock or external clock

系统定时器的校准数值寄存器在定时实验中不需要用到。有关各个位的描述这里引用手册里面的英文版本，比较晦涩难懂，暂时不知道这个寄存器用来干什么。有研究过的朋友可以交流，起个抛砖引玉的作用。

18.3 SysTick定时实验

利用SysTick产生1s的时基，LED以1s的频率闪烁。

18.3.1 硬件设计

SysTick属于单片机内部的外设，不需要额外的硬件电路，剩下的只需一个LED灯即可。

18.3.2 软件设计

这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。我们创建了两个文件：bsp_SysTick.c和bsp_ SysTick.h文件用来存放SysTick驱动程序及相关宏定义，中断服务函数放在stm32f4xx_it.h文件中。

1. 编程要点

1、设置重装载寄存器的值

2、清除当前数值寄存器的值

3、配置控制与状态寄存器

2. 代码分析

SysTick 属于内核的外设，有关的寄存器定义和库函数都在内核相关的库文件core_cm4.h中。

SysTick配置库函数

代码 181SysTick配置库函数

1 __STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

2 {

3
// 不可能的重装载值，超出范围

4
if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) {

5
return (1UL);

6 }

7

8
// 设置重装载寄存器

9 SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL);

10

11
// 设置中断优先级

12 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

13

14
// 设置当前数值寄存器

15 SysTick->VAL = 0UL;

16

17
// 设置系统定时器的时钟源为AHBCLK=180M

18
// 使能系统定时器中断

19
// 使能定时器

20 SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

21 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |

22 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

23
return (0UL);

24 }

用固件库编程的时候我们只需要调用库函数SysTick_Config()即可，形参ticks用来设置重装载寄存器的值，最大不能超过重装载寄存器的值2^24，当重装载寄存器的值递减到0的时候产生中断，然后重装载寄存器的值又重新装载往下递减计数，以此循环往复。紧随其后设置好中断优先级，最后配置系统定时器的时钟为180M，使能定时器和定时器中断，这样系统定时器就配置好了，一个库函数搞定。

SysTick_Config()库函数主要配置了SysTick中的三个寄存器：LOAD、VAL和CTRL，有关具体的部分看代码注释即可。

配置SysTick中断优先级

在SysTick_Config()库函数还调用了固件库函数NVIC_SetPriority()来配置系统定时器的中断优先级，该库函数也在core_m4.h中定义，原型如下：

1 __STATIC_INLINE void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)

2 {

3
if ((int32_t)IRQn < 0) {

4 SCB->SHP[(((uint32_t)(int32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] =

5 (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

6 } else {

7 NVIC->IP[((uint32_t)(int32_t)IRQn)] =

8 (uint8_t)((priority << (8 - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);

9 }

10 }

因为SysTick属于内核外设，跟普通外设的中断优先级有些区别，并没有抢占优先级和子优先级的说法。在STM32F429中，内核外设的中断优先级由内核SCB这个外设的寄存器：SHPRx（x=1.2.3）来配置。有关SHPRx寄存器的详细描述可参考《Cortex-M4内核编程手册》4.4.8章节。下面我们简单介绍下这个寄存器。

SPRH1-SPRH3是一个32位的寄存器，但是只能通过字节访问，每8个字段控制着一个内核外设的中断优先级的配置。在STM32F429中，只有位7:3这高四位有效，低四位没有用到，所以内核外设的中断优先级可编程为：0~15，只有16个可编程优先级，数值越小，优先级越高。如果软件优先级配置相同，那就根据他们在中断向量表里面的位置编号来决定优先级大小，编号越小，优先级越高。

表 186 系统异常优先级字段

异常	字段	寄存器描述
Memory management fault	PRI_4	SHPR1
Bus fault	PRI_5
Usage fault	PRI_6
SVCall	PRI_11	SHPR2
PendSV	PRI_14	SHPR3
SysTick	PRI_15

如果要修改内核外设的优先级，只需要修改下面三个寄存器对应的某个字段即可。



图 181 SHPR1寄存器



图 182 SHPR2寄存器



图 183 SHPR3寄存器

在系统定时器中，配置优先级为(1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL)，其中宏__NVIC_PRIO_BITS为4，那计算结果就等于15，可以看出系统定时器此时设置的优先级在内核外设中是最低的。

1 // 设置系统定时器中断优先级

2 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);

但是，问题来了，刚刚我们只是学习了内核的外设的优先级配置。如果我同时使用了systick和片上外设呢？而且片上外设也刚好需要使用中断，那systick的中断优先级跟外设的中断优先级怎么设置？会不会因为systick是内核里面的外设，所以它的中断优先级就一定比内核之外的外设的优先级高？

从《STM32中断应用概览》这章我们知道，外设在设置中断优先级的时候，首先要分组，然后设置抢占优先级和子优先级。而systick这类内核的外设在配置的时候，只需要配置一个寄存器即可，取值范围为0~15。既然配置方法不同，那如何区分两者的优先级？下面举例说明。

比如配置一个外设的中断优先级分组为2，抢占优先级为1，子优先级也为1，systick的优先级为固件库默认配置的15。当我们比较内核外设和片上外设的中断优先级的时候，我们只需要抓住NVIC的中断优先级分组不仅对片上外设有效，同样对内核的外设也有效。我们把systick的优先级15转换成二进制值就是1111(0b)，又因为NVIC的优先级分组2，那么前两位的11(0b)就是3，后两位的11(0b)也是3。无论从抢占还是子优先级都比我们设定的外设的优先级低。如果当两个的软件优先级都配置成一样，那么就比较他们在中断向量表中的硬件编号，编号越小，优先级越高。

SysTick初始化函数

代码 182 SysTick初始化函数

1 /**

2 * @brief 启动系统滴答定时器 SysTick

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

6 void SysTick_Init(void)

7 {

8
/* SystemFrequency / 1000 1ms中断一次

9 * SystemFrequency / 100000 10us中断一次

10 * SystemFrequency / 1000000 1us中断一次

11 */

12
if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000)) {

13
/* Capture error */

14
while (1);

15 }

16 }

SysTick初始化函数由用户编写，里面调用了SysTick_Config()这个固件库函数，通过设置该固件库函数的形参，就决定了系统定时器经过多少时间就产生一次中断。

SysTick中断时间的计算

SysTick定时器的计数器是向下递减计数的，计数一次的时间TDEC=1/CLKAHB，当重装载寄存器中的值VALUELOAD减到0的时候，产生中断，可知中断一次的时间TINT=VALUELOAD * TDEC中断= VALUELOAD/CLKAHB，其中CLKAHB =180MHZ。如果设置为180，那中断一次的时间TINT=180/180M=1us。不过1us的中断没啥意义，整个程序的重心都花在进出中断上了，根本没有时间处理其他的任务。

SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000))

SysTick_Config（）的形我们配置为SystemCoreClock / 100000=180M/100000=1800，从刚刚分析我们知道这个形参的值最终是写到重装载寄存器LOAD中的，从而可知我们现在把SysTick定时器中断一次的时间TINT=1800/180M=10us。

SysTick定时时间的计算

当设置好中断时间TINT后，我们可以设置一个变量t，用来记录进入中断的次数，那么变量t乘以中断的时间TINT就可以计算出需要定时的时间。

SysTick定时函数

现在我们定义一个微秒级别的延时函数，形参为nTime，当用这个形参乘以中断时间TINT就得出我们需要的延时时间，其中TINT我们已经设置好为10us。关于这个函数的具体调用看注释即可。

1 /**

2 * @brief us延时程序,10us为一个单位

3 * @param

4 * @arg nTime: Delay_us( 1 ) 则实现的延时为 1 * 10us = 10us

5 * @retval 无

6 */

7 void Delay_us(__IO u32 nTime)

8 {

9 TimingDelay = nTime;

10

11
while (TimingDelay != 0);

12 }

函数Delay_us()中我们等待TimingDelay为0，当TimingDelay为0的时候表示延时时间到。变量TimingDelay在中断函数中递减，即SysTick每进一次中断即10us的时间TimingDelay递减一次。

SysTick中断服务函数

1 void SysTick_Handler(void)

2 {

3 TimingDelay_Decrement();

4 }

中断复位函数调用了另外一个函数TimingDelay_Decrement()，原型如下：

1 /**

2 * @brief 获取节拍程序

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 * @attention 在 SysTick 中断函数 SysTick_Handler()调用

6 */

7 void TimingDelay_Decrement(void)

8 {

9
if (TimingDelay != 0x00) {

10 TimingDelay--;

11 }

12 }

TimingDelay的值等于延时函数中传进去的nTime的值，比如nTime=100000，则延时的时间等于100000*10us=1s。

主函数

1 int main(void)

2 {

3
/* LED 端口初始化 */

4 LED_GPIO_Config();

5

6
/* 配置SysTick 为10us中断一次,时间到后触发定时中断，

7 *进入stm32fxx_it.c文件的SysTick_Handler处理，通过数中断次数计时

8 */

9 SysTick_Init();

10

11
while (1) {

12

13 LED_RED;

14 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

15

16 LED_GREEN;

17 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

18

19 LED_BLUE;

20 Delay_us(100000); // 10000 * 10us = 1000ms

21 }

22 }

主函数中初始化了LED和SysTick，然后在一个while循环中以1s的频率让LED闪烁。

上面的实验，我们是使用了中断，而且经过多个函数的调用，还使用了全局变量，理解起来挺费劲的，其实还有另外一种更简洁的写法。我们知道，systick的counter从reload值往下递减到0的时候，CTRL寄存器的位16:countflag会置1，且读取该位的值可清0，所有我们可以使用软件查询的方法来实现延时。具体代码见代码 183和代码 184，我敢肯定这样的写法，初学者肯定会更喜欢，因为它直接，套路浅。

代码 183 systick 微秒级延时

1 void SysTick_Delay_Us( __IO uint32_t us)

2 {

3
uint32_t i;

4 SysTick_Config(SystemCoreClock/1000000);

5

6
for (i=0; i<us; i++) {

7
// 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1

8
while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );

9 }

10
// 关闭SysTick定时器

11 SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

12 }

代码 184 systick 毫秒级延时

1 void SysTick_Delay_Ms( __IO uint32_t ms)

2 {

3
uint32_t i;

4 SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);

5

6
for (i=0; i<ms; i++) {

7
// 当计数器的值减小到0的时候，CRTL寄存器的位16会置1

8
// 当置1时，读取该位会清0

9
while ( !((SysTick->CTRL)&(1<<16)) );

10 }

11
// 关闭SysTick定时器

12 SysTick->CTRL &=~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

13 }

另外一种更简洁的定时编程

在这两个微秒和毫秒级别的延时函数中，我们还是调用了SysTick_Config这个固件库函数，有关这个函数的说明具体见代码 185。配套代码注释理解即可。其中SystemCoreClock是一个宏，大小为72000000，如果不想使用这个宏，也可以直接改成数字。

代码 185 systick 配置函数

1 // 这个固件库函数在 core_cm3.h中

2 static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

3 {

4
// reload 寄存器为24bit，最大值为2^24

5
if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) return (1);

6

7
// 配置 reload 寄存器的初始值

8 SysTick->LOAD = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;

9

10
// 配置中断优先级为 1<<4 -1 = 15，优先级为最低

11 NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);

12

13
// 配置 counter 计数器的值

14 SysTick->VAL = 0;

15

16
// 配置systick 的时钟为 72M

17
// 使能中断

18
// 使能systick

19 SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

20 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |

21 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

22
return (0);

23 }

18.4 每课一问

1、如果修改SysTick的中断优先级？

2、如何计算SysTick进入一次中断的时间？

3、如何利用SysTick实现一个1ms的延时？