STM32筆記(25)：系統時鐘與 Systick 定時器

上一篇文章「STM32筆記(24)：七段顯示器顯示數字」在顯示數字時，設定每 1000ms 跳一個數字，這代表一秒鐘。這篇文章要來探討一下 STM32 的時鐘系，與如何利用 SysTick 產生精確的毫秒與微秒。

時鐘對於單片機是很重要的，因為所有指令都要靠時鐘信號去推動才能執行。而時鐘的頻率決定了處理的速度。STM32 有多個時鐘源，主要原因是 STM32 有多種外設，每種外設有其不同的特性與應用，並不是所有的外設都需要那麼高的頻率，如果全部都用高速時鐘，會讓功耗變大，造成浪費。因此複雜的 STM32 設計多種時鐘源給不同的外設使用，才有了時鐘系統和時鐘樹。

STM32 爲了減少功耗，預設將所有的外設時鐘都設置爲停用(Disable)，如果要使用某個外設，才打開其對應的時鐘，這樣可以有效的降低功耗，讓系統更省電。這也就是為何對外設進行初始化前，都要開啟其對應時鐘的原因。

STM32 的時鐘樹(Clock Tree, 如下圖)看起來很複雜，其實很好理解。從 ② 跟㊁中間的 systick 分成左右兩邊，左邊的部分就是要選定使用那個時鐘源，而右邊是系統時鐘通過 AHB 預分頻器，給相對應的外設設置相對應的時鐘頻率， STM32 有 4 個獨立時鐘源，分成高速和低速，或分成內部及外部：HSI、HSE、LSE、LSI，(如下圖①、③～⑤)，② PLL 鎖相環倍頻輸出其實不是自己產生的時鐘源，是由 HSI 倍頻或分頻而來。

	名稱	說明
①	HSI 高速內部時鐘(High Speed Internal clock)	由 STM32 內部的 RC 振盪器產生，頻率為 8 MHz。
②	PLL 高速時鐘，鎖相環倍頻輸出(Phase-Locked Loops)	時鐘輸入源可選擇為 HSI/2 、HSE 或者 HSE/2。倍頻可選擇為 2～16 倍，但是其輸出頻率最大不得超過 72 MHz。
③	HSE 高速外部時鐘(High Speed External Oscillator)	可接石英/陶瓷諧振器，或者接外部時鐘源，頻率範圍為 4 MHz～16 MHz。
④	LSE 低速外部時鐘(Low Speed External Oscillator)	接頻率為 32.768kHz 的石英晶體。這個主要是 RTC 的時鐘源。
⑤	LSI 低速內部時鐘(Low Speed Internal clock)	由 STM32 內部的 RC 振盪器產生，頻率為 40kHz。可用於獨立看門狗 IWDG、實時時鐘 RTC。

在開始編寫程式時，預設時鐘爲 72Mhz，是由外部晶振(HSE)提供的 8MHz 通過 PLLXTPRE 分頻器後，進入 PLLSRC 選擇開關，再通過 PLLMUL 鎖相環進行倍頻（x9）後，得到 72MHz 的系統時鐘(SYSCLK)。在經過 AHB 預分頻器對時鐘信號進行分頻，提供給低速外設使用。

	說明
㊀	USB 的時鐘是來自 PLL 時鐘源，其串行接口需要一個頻率為 48 MHz 的時鐘源。該時鐘源只能從 PLL 輸出端獲取，必須 Enable PLL，並選擇 1.5 分頻(72 MHz)或者 1 分頻(48 MHz)。PLLCLK 在輸入到 SW 前，還流向了 USB 預分頻器，這個分頻器輸出為 USB 外設的時鐘（USBCLK）。
㊁	是 STM32 的系統時鐘 SYSCLK，它是供STM32 中絕大部分部件工作的時鐘源。系統時鐘可選擇為 PLL 輸出、HSI 或者 HSE。系統時鐘最大頻率為 72MHz。
㊂	是指其他所有不同的外設。
㊃	是 RTC 時鐘源，RTC 時鐘源可以選擇 LSI、LSE 以及 HSE 的 128 分頻。
㊄	MCO 是 STM32 的一個時鐘輸出 IO(PA8)，它可以選擇一個時鐘信號輸出，可以選擇為 PLL 輸出的 2分頻、HSI、HSE、或者系統時鐘。這個時鐘可以用來給外部其他系統提供時鐘源。

從時鐘圖㊂可以看出，其他所有外設的時鐘最終來源都是 SYSCLK。SYSCLK 通過 AHB 分頻器分頻後送給 5 大模組使用。這些模組包括：

模組	說明
內核總線	AHB 總線、內核、內部記憶體和 DMA 使用的是 HCLK 時鐘。
Tick定時器	通過 8 分頻後送給 Cortex 的系統定時器時鐘，也就是 systick 。
I2S總線	直接送給 Cortex 的空閒運行時鐘 FCLK。
APB1外設	送給 APB1 分頻器。APB1分頻器可選擇1、2、4、8、16分頻，其輸出一路供APB1外設使用(PCLK1，最大頻率 36MHz)，另一路送給通用定時器使用。該倍頻器可選擇 1 或者 2 倍頻，時鐘輸出供定時器 2-7 使用。
APB2外設	送給 APB2 分頻器。APB2分頻器可選擇1、2、4、8、16分頻，其輸出一路供APB2外設使用(PCLK2，最大頻率 72MHz)，另一路送給高級定時器。該倍頻器可選擇 1 或者 2 倍頻，時鐘輸出供定時器 1 和定時器 8 使用。

APB1 和 APB2 的區別：

APB1 連接的是低速外設，包括電源接口、備份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等。
APB2 連接的是高速外設，包括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有普通 IO 口(PA～PE)、第二功能 IO 口（AFIO）等。

[SysTick定時器]

之前如要得到時間延遲，會使用 for 迴圈，藉由改變 for 的結束值，得到暫停的時間長短。對 STM32 來說，執行一條指令大約幾十 ns（納秒），由於無法精確知道執行完成的時間，很難計算出延時 N 毫秒的精確值，因此需要重新設計一個新的方法來執行 Delay(N) 的功能。這時 SysTick 定時器就可輕鬆完成延遲的功能。

上述時鐘樹的 SYSCLK 通過 AHB 分頻器分頻後送給 5 大模組使用，其中一個模組就是 Systick，他是 Cortex M3 的標準配備，不是外設。故不需要在 RCC 寄存器組打開他的時鐘。SysTick 有兩大功能：
(1) 可以產生精確延遲計時；
(2) 可以給系統提供一個獨立的時鐘節拍。

SysTick 是一個 24 位遞減計數器，最大值為 2 的 24 次方 = 16777215；啟用後，每經過 1 個系統時鐘週期，計數值就減 1，不為 0 則進行循環等待；直到計數為 0 時，SysTick 計數器會從 LOAD 寄存器中自動重設定時器初始值並繼續計數，這時 COUNTFLAG 值為 1，也會產生一個中斷信號，因此只要知道計數的次數就可以準確得到它的延時時間。

在 STM32F1 的庫函數中，並沒有提供 SysTick 計時器的函數，我們要操作 SysTick 計時器就需要瞭解它的暫存器功能。其實 SysTick 計時器暫存器很簡單，只有 4 個，分別是：

CTRL: 控制和狀態暫存器。
LOAD: 重裝載值暫存器。(設置後重新載入固定值，最大為 2^24)
VAL: 當前暫存器。(重新寫入時會把狀態暫存器的 FLAG 清零)
CALIB: 校準值暫存器。

(1) CTRL：SysTick 計時器的控制及狀態暫存器。

16位元位置	名稱	類型	描述
16	COUNTFLAG	R	從上次讀取後，SysTick 倒數到 0 時，則為 1，在讀取之後會自動清為 0。
2	CLKSOURCE	R/W	時鐘來源，0 = 外部時鐘源(STCLK)，1 = 內部時鐘(FCLK)。
1	TICKINT	R/W	倒數到 0 的動作，1 = 產生 SysTick 異常請求，0 = 無動作。
0	ENABLE	R/W	啟用(Enable) SysTick 定時器，1 = 啟用， 0 = 停用。

(2) LOAD：SysTick 自動重裝載值固定(最大2^24) 的暫存器。

位段	名稱	類型	復位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	當倒數至 0 時，將被重新裝載的值。

(3) VAL暫存器：SysTick 定时器當時數值暫存器。每個時鐘週期減1，減到0重新裝載LOAD的值。

位段	名稱	類型	復位值	描述
23:0	CURRENT	R/W	0	讀取時返回當前計數器的值，寫他側使之為 0，同時還會清除在 SysTick 控制及狀態暫存器中的 COUNTFLAG 標誌。

(4) CALIB 暫存器：SysTick 校準值暫存器

位段	名稱	類型	復位值	描述
31	NOREF	R	-	NOREF 旗標，1 = 沒有外部參考時鐘(STCLK不可用)，0 = 外部參考時鐘可用。
30	SKEW	R	-	1 = 校準值不是準確的 10ms，0 = 校準值是準確的 10ms。
23:0	TENMS	R/W	0	10ms 的校準值，晶片設計者通過 Cortex-M3 的輸入信號提供該數值，若該值讀回 0，則表示無法使用校準功能。

瞭解上述的 SysTick 暫存器後，我們來看一下稍早幾個程式中用到的延遲函式：delay_us(u32 nus)及 delay_ms(u16 nms)，程式如下：

/**********************************************************
 * @file  delay.c
 * @brief delay function
**********************************************************/

#include "delay.h"
#include "sys.h"
 
static u8  fac_us=0;	//us延時倍乘數
static u16 fac_ms=0;	//ms延時倍乘數

//初始化延遲函數
//SYSTICK的時鐘固定為HCLK時鐘的1/8
//SYSCLK:系統時鐘
void delay_init()	 
{
	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);    //選擇外部時鐘 HCLK/8
    fac_us = SystemCoreClock/8000000;                        //為系統時鐘的1/8
    fac_ms = (u16)fac_us*1000;                               //每個ms需要的systick時鐘數
}								    

//延時nus，nus 為要延時的微秒數.	

void delay_us(u32 nus)
{		
	u32 temp;
    SysTick->LOAD = nus*fac_us;                 //時間載入
    SysTick->VAL = 0x00;                        //清空計數器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ;  //開始倒數
    do
    {
        temp = SysTick->CTRL;
    }while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));       //等待時間到達
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  //關閉計數器
    SysTick->VAL = 0x00;                        //清空計數器
}

//延時 nms，nms 為要延時的毫秒數
//nms的範圍:SysTick->LOAD為24位暫存器,最大延時為: nms<=0xffffff*8*1000/SYSCLK
//SYSCLK單位為Hz, 單位為ms
//對72MHz條件下,nms<=1864 
void delay_ms(u16 nms)
{	 		  	  
    u32 temp;
    SysTick->LOAD = (u32)nms*fac_ms;            //時間載入(SysTick->LOAD為24bit)
    SysTick->VAL = 0x00;                        //清空計數器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ;  //開始倒數
    do
    {
        temp=SysTick->CTRL;
    }while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));       //等待時間到達 
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  //關閉計數器
    SysTick->VAL = 0x00;                        //清空計數器
} 

//延時 s 秒，s 為延時秒數，最大值為65535
void delay_s(u16 s)			
{ 	 		  	  
	while( s-- != 0)
	{
		delay_ms(1000);		//呼叫1000毫秒的延時
	}
}

delay.h 內容如下：

#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H 			   
#include "sys.h"

void delay_init(void);
void delay_ms(u16 nms);
void delay_us(u32 nus);
void delay_s(u16 s);	

#endif

STM32筆記(25)：系統時鐘與 Systick 定時器

[SysTick定時器]

[參考資料]

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