Systick滴答定时器

作者：一只大喵咪1201
专栏：《STM32学习》
格言：你只管努力，剩下的交给时间！

描述

Systick定时器，是一个简单的定时器，对于CM3,CM4内核芯片，都有Systick定时器。Systick定时器常用来做延时，或者实时系统的心跳时钟。这样可以节省MCU资源，不用浪费一个定时器。
Systic定时器也叫做滴答定时器，是一个24 位的倒计数定时器，计到0 时，将从RELOAD 寄存器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。

相关寄存器介绍

寄存器CTRL

叫做SysTick控制及状态寄存器，它有四个位起控制和监视作用，分布情况如下图

位0：（使能）ENABLE位。和所有外设一样，在使用之前，都需要将使能位置1，也就是开启Systic定时器，写0则关闭。

位1：TICKINT位。它是和中断相关的位，SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15）。Systick中断的优先级也可以设置。将这一位置1后，VAL寄存器中的值减到0时就会进入中断。如果写0，VAL寄存器中的值减到0时不会进入中断，会重新开始下一轮的计数。

位2：CLKSOURE位。它是用来选择时钟源的。Systick定时器有俩个时钟源，一个是内部时钟源，它的频率较高，一般和HCLK相同，另一个是外部时钟源，它的频率较低，是HCLK的八分之一。

位16：COUNTFALG位。这是一个状态位，它在计数的过程中是0，当VAL寄存器中的值减为0时，该位就会由硬件自动置1，并且该位只能读，不能写。

寄存器LOAD

叫做SysTick重装载数值寄存器，它是一个24位的寄存器，分布如下图

这24位是从0到23的，叫做RELOAD位。它里面放的值就是计时用的初值，VAL寄存器中的值就是从这里取出的，当VAL寄存器中的值减为0后，就会自动从LOAD寄存器中再将这个初值取出放入VAL寄存器中，然后继续做减一处理，一直循环下去，除非将使能位写0。

寄存器VAL

叫做Sysytic当前数值寄存器。它是一个24位的寄存器，分布如下图

这24位也是从0到23的，叫做CURRENT位。它里面放的值就是用来计时减一的初值，当这里的值减1到0后，就会自动从LOAD寄存器中再取过来一个初值，继续做减1操作，如此循环，除非将使能位写0。而且VAL寄存器中的值是可以修改的，在计时过程中如果想修改计时时间，则将要计时的初值先放入LOAD寄存器中，再对VAL寄存器写1，则VAL寄存器就会清0，然后从LOAD寄存器中取初值进行新的计时。

寄存器CALIB

叫做SysTick校准数值寄存器。它的分布如下图

这个寄存器很少使用到，等用到的时候本喵再作详细介绍。

与Systick有关的库函数

同样的，STM官方对Systick的使用也提供了库函数，让我们在使用的时候更加方便，不用挨个配置相关的寄存器。

时钟源选择库函数

在STM官方提供的库函数里的misc.c源文件中定义了时钟源选择库函数。
代码如下：

#define SysTick_CLKSource_HCLK_Div8 ((uint32_t)0xFFFFFFFB)
#define SysTick_CLKSource_HCLK ((uint32_t)0x00000004)
#define IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SOURCE) (((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK) || \ ((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK_Div8))
                                       
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)
{
    
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SysTick_CLKSource));
  if (SysTick_CLKSource == SysTick_CLKSource_HCLK)
  {
    
    SysTick->CTRL |= SysTick_CLKSource_HCLK;
  }
  else
  {
    
    SysTick->CTRL &= SysTick_CLKSource_HCLK_Div8;
  }
}

通过宏定义以及合法性的判断，我们可以看到，该函数的形参内容只能是SysTick_CLKSource_HCLK_Div8外部时钟，或SysTick_CLKSource_HCLK
内部时钟。

当形参是内部时钟，就将CTRL寄存器中的时钟源选择位（CLKSOURE）置为1，这是通过寄存器地址名的映射实现的，可以看前面相应文章中的映射规则。

当形参是外部时钟，就将CTRL寄存器中的时钟源选择位（CLKSOURE）清0，这是通过寄存器地址名的映射实现的，可以看前面相应文章中的映射规则。
如此一来，时钟源的选择就搞定了。

计数初值配置函数

STM官方提供了计数初值配置函数，我们只需要计算出需要计数几个Systick的时钟周期即可，至于LOAD寄存器以及VAL寄存器中的值就不用我们计算好再放进去了。
代码如下：

#define SysTick_LOAD_RELOAD_Pos 0 
#define SysTick_LOAD_RELOAD_Msk (0xFFFFFFul << SysTick_LOAD_RELOAD_Pos) 

#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos 2 
#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk (1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos) 

#define SysTick_CTRL_TICKINT_Pos 1 
#define SysTick_CTRL_TICKINT_Msk (1ul << SysTick_CTRL_TICKINT_Pos) 

#define SysTick_CTRL_ENABLE_Pos 0 
#define SysTick_CTRL_ENABLE_Msk (1ul << SysTick_CTRL_ENABLE_Pos) 

static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
     
  if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            /* Reload value impossible */
                                                               
  SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;      /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Cortex-M0 System Interrupts */
  SysTick->VAL   = 0;                                          /* 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 (0);                                                  /* Function successful */
}

首先判断一下在这个Systick时钟周期次数下，计数的初值会不会超出VAL寄存器24位值的大小，如果超了，就返回1。

如果没有超出最大值，就给LOAD寄存器的RELOAD位赋计时初值，至于赋值的具体内容，后面讲延时函数时说明。

赋值完计时初值后，将VAL寄存器中的值清0，直接从LOAD寄存器中取计时初值，尽量避免计时误差。

接下来就是选择时钟源，设置是否中断，以及使能Systick定时器。

这里的时钟源选择和上面的时钟源选择函数所进行的功能是一样的，只需要用一个就可以，当然重复配置也每问题，但是要配置的一样才行。

延时函数

开篇就提到，Systick定时经常用来作延时使用，它本来的目的就是为了节省资源，节省定时器资源，所以我们在使用它定时的时候也要节省中断资源，采用部通过中断的方式来进行定时。
本喵就来讲解一下大家使用比较多的由正点原子写的延时函数。
代码如下：

void delay_init()
{
    
	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);	//选择外部时钟 HCLK/8
	fac_us=SystemCoreClock/8000000;				//为系统时钟的1/8 
	fac_ms=(u16)fac_us*1000;					//非OS下,代表每个ms需要的systick时钟数 
}	

首先在程序中通过时钟源选择函数选择了外部时钟，对于STMF103ZET6芯片而言，此时的Systick时钟频率是HCLK时钟频率的八分之一，也就是72MHZ/8=9MHZ。
这里延时初始化的主要作用就是计算俩个因子fac_us和fac_ms。
1️⃣fac_us：
这因子是一个值，它的意义是时间是1微秒，会有几个Systick时钟周期。SystemCoreClock的值是系统时钟频率，也就是72MHZ。

除以8000000可以看作是俩步，先除以8进行八分之一分频，得到的是9MHZ频率，再除以1000000得到的就是1微秒内Systick时钟周期的个数。
2️⃣fac_ms:
这因子也是一个值，它的意义是时间是1毫秒，会有几个Systick时钟周期。因为us与ms的进率是1000，所以fac_ms的值就是在fac_us的值的基础上乘1000。

如此一来，我们将Systick定时器初始化好了，其实就是计算好了俩个因子。
接下来我看看如何使用它。

微秒级别的定时程序

代码如下：

oid delay_us(u32 nus)
{
    		
	u32 temp;	    	 
	SysTick->LOAD=nus*fac_us; 					//时间加载 
	SysTick->VAL=0x00;        					//清空计数器
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ;	//开始倒数 
	do
	{
    
		temp=SysTick->CTRL;
	}while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));		//等待时间到达 
	SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;	//关闭计数器
	SysTick->VAL =0X00;      					 //清空计数器 
}

将初始化时计算出来的因子与需要延时的时间相乘，得到就是节拍数，也就是计时时间是多少个Systick时钟周期。

然后将这个值放在LOAD寄存器中的RELOAD位中当作计时初值。

再将VAL寄存器中的值清0，让它直接从LOAD寄存器中取计时初值，以减少定时误差。

然后将CRTL中的ENABLE位使能，也就是打开定时器

接下便进入了循环。不停地读取CTRL寄存器中的值，就是为了看位16也就是COUNTFLAG的状态，如果它0，说明没有计时结束，则继续循环，如果它是1，说明定时结束了。

最后关闭计数器，就是将使能位清0，并且将VAL寄存器中的值清0。

以上便是微秒级别的延时程序，接下来我们看看毫秒级别的延时程序

毫秒级别的定时程序

代码如下：

void delay_ms(u16 nms)
{
    	 		  	  
	u32 temp;		   
	SysTick->LOAD=(u32)nms*fac_ms;				//时间加载(SysTick->LOAD为24bit)
	SysTick->VAL =0x00;							//清空计数器
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ;	//开始倒数 
	do
	{
    
		temp=SysTick->CTRL;
	}while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));		//等待时间到达 
	SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;	//关闭计数器
	SysTick->VAL =0X00;       					//清空计数器 
} 

可以看到，它的过程是和微秒级别的延时程序一样的，只是使用的因子不同，这里使用的是fac_ms，而这个值在初始化函数中就已经计算过了。

以上便是延时函数的整个内容，但是这个延时是有时间大小限定的，不能说想延时多久就延时多久，接下来本喵带大家看一下它的延时范围是多少。

延时范围

拿本喵使用的STM32F103ZET6芯片为例，它的系统时钟是72MHZ的。Systick定时器的时钟源选择外部时钟后是9MHZ的。

9000000除以1000000得到的结果是9，所以fac_us的值就是9，也就是1微秒内有9个Systick时钟。

而fac_ms的值是9000，也就是1毫秒内有9000个Systick时钟。

而VAL寄存器已经LOAD寄存器都是24的，它的最大值是
111111111111111111111111，转化乘十进制后是16777215。

对于微秒级别的定时，最大定时时长是
16777215/9=1864135微秒，也就是1864.135毫秒。

当使用是毫秒级别的定时时，最大的定时时长只能取整数个毫秒，也就是1864毫秒。

这就是Systick定时器循环一次所能达到的最大定时时长。当然也可以通过循环嵌套来实现更长时间的定时。

总结

定时或者延时是我们在使用STM32中经常用的功能，而Systick定时器就可以解决我们大多数的定时情况，而且使用简单，占用资源也少。总的来说，Systick定时器的使用步骤就是，选择时钟源，计算计数初值，放入LOAD定时器中，然后启动定时器，再监视是否完成定时。
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