【STM32H7S78-DK】跳动的心脏-Systick

Bruceou

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开发环境：

IDE：MKD 5.38a

STM32CubeMX: V6.12.0

开发板：STM32H7S78-DK开发板

MCU：STM32H7S7L8H6H

Cortex-M的内核中包含Systick定时器了，只要是Cortex-M系列的MCU就会有Systick，因此这是通用的，下面详细分析。

1 Systick工作原理分析

SysTick 定时器被捆绑在 NVIC 中，用于产生 SysTick 异常（异常号：15）。在以前，操作系统和所有使用了时基的系统都必须有一个硬件定时器来产生需要的“滴答”中断，作为整个系统的时基。滴答中断对操作系统尤其重要。例如，操作系统可以为多个任务分配不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统；或者将每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，操作系统提供的各种定时功能都与这个滴答定时器有关。因此，需要一个定时器来产生周期性的中断，而且最好还让用户程序不能随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节律。

Cortex-M7在内核部分包含了一个简单的定时器——SysTick。因为所有的Cortex-M7芯片都带有这个定时器，软件在不同芯片生产厂商的 CM3 器件间的移植工作就得以简化。该定时器的时钟源可以是内部时钟（FCLK，Cortex-M7上的自由运行时钟），或者是外部时钟（Cortex-M7处理器上的 STCLK 信号）。不过，STCLK 的具体来源则由芯片设计者决定，因此不同产品之间的时钟频率可能大不相同。因此，需要阅读芯片的使用手册来确定选择什么作为时钟源。在 STM32 中 SysTick 以 HCLK（AHB 时钟）或 HCLK/8 作为运行时钟。

SysTick 定时器能产生中断，Cortex-M7为它专门开出一个异常类型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系统和其他系统软件在 Cortex-M7器件间的移植变得简单多了，因为在所有 Cortex-M7产品间，SysTick 的处理方式都是相同的。SysTick 定时器除了能服务于操作系统之外，还能用于其他目的，如作为一个闹铃、用于测量时间等。Systick 定时器属于Cortex 内核部件。

2 Systick寄存器分析

在传统的嵌入式系统软件按中通常实现 Delay(N) 函数的方法为：

for(i = 0; i <= x; i ++);

x --- ;

对于STM32系列微处理器来说，执行一条指令只有几十个 ns，进行 for 循环时，要实现 N 毫秒的 x 值非常大，而且由于系统频率的宽广，很难计算出延时 N 毫秒的精确值。针对 STM32 微处理器，需要重新设计一个新的方法去实现该功能，以实现在程序中使用 Delay(N)。

Cortex-M的内核中包含一个 SysTick 时钟。SysTick 为一个 24 位递减计数器，SysTick 设定初值并使能后，每经过 1 个系统时钟周期，计数值就减 1。计数到 0 时，SysTick 计数器自动重装初值并继续计数，同时内部的 COUNTFLAG 标志会置位，触发中断 (如果中断使能情况下)。

在 STM32 的应用中，使用 Cortex-M内核的 SysTick 作为定时时钟，设定每一毫秒产生一次中断，在中断处理函数里对 N 减一，在Delay(N) 函数中循环检测 N 是否为 0，不为 0 则进行循环等待；若为 0 则关闭 SysTick 时钟，退出函数。

注：全局变量 TimingDelay , 必须定义为 volatile 类型 , 延迟时间将不随系统时钟频率改变。

STM32中的Systick 部分内容属于NVIC控制部分，一共有4个寄存器，名称和地址分别是：

STK_CTRL, 0xE000E010--控制寄存器
Table 2-1 SysTick控制及状态寄存器

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2024-9-21 23:13 上传

第0位：ENABLE，Systick 使能位
（0：关闭Systick功能；1：开启Systick功能）
第1位：TICKINT，Systick 中断使能位
（0：关闭Systick中断；1：开启Systick中断）
第2位：CLKSOURCE，Systick时钟源选择
（0：使用HCLK/8 作为Systick时钟；1：使用HCLK作为Systick时钟）
第16位：COUNTFLAG，Systick计数比较标志，如果在上次读取本寄存器后，SysTick 已经数到了0，则该位为1。如果读取该位，该位将自动清零
STK_LOAD, 0xE000E014--重载寄存器
Table 2-2 SysTick重装载数值寄存器

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Systick是一个递减的定时器，当定时器递减至0时，重载寄存器中的值就会被重装载，继续开始递减。STK_LOAD 重载寄存器是个24位的寄存器最大计数0xFFFFFF。
STK_VAL, 0xE000E018--当前值寄存器
Table 2-3 SysTick当前数值寄存器

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也是个24位的寄存器，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。
STK_CALRB, 0xE000E01C--校准值寄存器

Table 2-4 SysTick校准数值寄存器

校准值寄存器提供了这样一个解决方案：它使系统即使在不同的Cortex-M产品上运行，也能产生恒定的SysTick中断频率。最简单的作法就是：直接把TENMS的值写入重装载寄存器，这样一来，只要没突破系统极限，就能做到每10ms来一次 SysTick异常。如果需要其它的SysTick异常周期，则可以根据TENMS的值加以比例计算。只不过，在少数情况下，Cortex-M芯片可能无法准确地提供TENMS的值（如，Cortex-M的校准输入信号被拉低），所以为保险起见，最好在使用TENMS前检查器件的参考手册。

SysTick定时器除了能服务于操作系统之外，还能用于其它目的：如作为一个闹铃，用于测量时间等。要注意的是，当处理器在调试期间被喊停（ halt）时，则SysTick定时器亦将暂停运作。

3 Systick定时器实现

3.1 STM32Cube配置工程

关于如何使用STM32Cube新建工程在前文已经讲解过了，这里直说配置GPIO部分内容。本文要实现流水灯，其实输出为初始化设置为高电平还是低电平都可以，因为流水灯需要不断反转。

这里需要注意sys配置，也就是滴答定时器的配置。

Figure 3-1 滴答定时器

以上配置和GPIO流水灯是一样的，本文只具体讲解Systick的内容。

3.2 Systick定时器具体代码分析

Systick属于内核部分，相关的寄存器定义与库函数都在内核相关的文件core_cm7.h中，在上标准库函数版本中已经分析过了。那么HAL库函数是如何初始化Systick的呢？在HAL_Init()函数中调用了HAL_InitTick()函数，这才是Systick初始化入口。

/**
  * [url=home.php?mod=space&uid=159083]@brief[/url] This function configures the source of the time base:
  *        The time source is configured to have 1ms time base with a dedicated
  *        Tick interrupt priority.
  * @note This function is called  automatically at the beginning of program after
  *       reset by HAL_Init() or at any time when clock is reconfigured  by HAL_RCC_ClockConfig().
  * @note In the default implementation, SysTick timer is the source of time base.
  *       It is used to generate interrupts at regular time intervals.
  *       Care must be taken if HAL_Delay() is called from a peripheral ISR process,
  *       The SysTick interrupt must have higher priority (numerically lower)
  *       than the peripheral interrupt. Otherwise the caller ISR process will be blocked.
  *       The function is declared as __weak  to be overwritten  in case of other
  *       implementation  in user file.
  * @param TickPriority  Tick interrupt priority.
  * @retval HAL status
  */
__weak HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
  HAL_StatusTypeDef  status = HAL_OK;

  /* Check uwTickFreq for MisraC 2012 (even if uwTickFreq is a enum type that doesn't take the value zero)*/
  if ((uint32_t)uwTickFreq != 0U)
  {
    /*Configure the SysTick to have interrupt in 1ms time basis*/
    if (HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / (1000U / (uint32_t)uwTickFreq)) == 0U)
    {
      /* Configure the SysTick IRQ priority */
      if (TickPriority < (1UL << __NVIC_PRIO_BITS))
      {
        HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, TickPriority, 0U);
        uwTickPrio = TickPriority;
      }
      else
      {
        status = HAL_ERROR;
      }
    }
    else
    {
      status = HAL_ERROR;
    }
  }
  else
  {
    status = HAL_ERROR;
  }

  /* Return function status */
  return status;
}

HAL_SYSTICK_Config()函数默认中断周期是1ms，HAL_TICK_FREQ_DEFAULT是一个宏定义表示计数的频率，默认是1，也就是1KHz，也就是1/1000，那么中断一次的时间为600000000/1000/1*(1/600000000)=1ms。那么我们要延时1s怎么做呢。我们在上一节流水灯使用了HAL_Delay()函数，函数原型如下。

/**
  * @brief This function provides minimum delay (in milliseconds) based
  *        on variable incremented.
  * @note In the default implementation , SysTick timer is the source of time base.
  *       It is used to generate interrupts at regular time intervals where uwTick
  *       is incremented.
  * @note This function is declared as __weak to be overwritten in case of other
  *       implementations in user file.
  * @param Delay  specifies the delay time length, in milliseconds.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;

  /* Add a period to ensure minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)uwTickFreq;
  }

  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
  }
}

在函数中HAL_Delay()，(HAL_GetTick() - tickstart) < wait用于延时的中断周期数，在Systick初始化函数中，中断间隔为1ms，HAL_Delay ()函数的传入参数Delay表示多少个中断周期，也就是我们最终的延时，我们传入Delay = 500，那么最终的延时就是500ms。

我们再来看看HAL_GetTick()函数。

__weak uint32_t HAL_GetTick(void)

{

return uwTick;

}

HAL_GetTick()函数很简单，不断获取uwTick得值，这是一个全局变量，可以发现在HAL_IncTick()函数中使用过。那么HAL_IncTick()函数被那个函数调用了呢？

__weak void HAL_IncTick(void)

{

uwTick += uwTickFreq;

}

不难发现，在stm32h7rsxx_it.c中间中的SysTick_Handler()函数中调用了HAL_IncTick()函数，SysTick_Handler()也就是滴答定时器的中断服务函数，也就是中断一次会调用一次，也就会uwTick变量累加一次，最终uwTick累加到Delay次，表示此次延时结束。

void SysTick_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 0 */
  HAL_IncTick();
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 1 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 1 */
}

好了，使用STM32Cube配置SysTick定时器的延时就讲解完成了，在主函数是使用延时函数控制LED就是流水灯了。

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* Enable the CPU Cache */
  /* Enable I-Cache---------------------------------------------------------*/
  SCB_EnableICache();

  /* Enable D-Cache---------------------------------------------------------*/
  SCB_EnableDCache();
  /* USER CODE END 1 */

  /* MPU Configuration--------------------------------------------------------*/
  MPU_Config();

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Update SystemCoreClock variable according to RCC registers values. */
  SystemCoreClockUpdate();

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
    /* Insert delay 200 ms */
    HAL_Delay(200);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin);
    /* Insert delay 200 ms */
    HAL_Delay(200);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin);
    /* Insert delay 200 ms */
    HAL_Delay(200);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED4_GPIO_Port, LED4_Pin);
    /* Insert delay 200 ms */
    HAL_Delay(200);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

4 实验现象

将编译好的程序下载到板子中，可以看到四个LED灯不同地闪烁。

秦天qintian0303

SysTick定时器的延时依然是最精准的

freebsder

谢谢分享，期待后续！