SysTick 定时器详细学习笔记并兼容FreeRTOS

一：基础知识

1. SysTick 是什么？

   SysTick：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，SYSCLK 为系统的是时钟频率（72M、168M等））。属于 CM3 内核中的一个外设，并且内嵌在 NVIC 中。

2. SysTick 的特点

   • SysTick 常常用作 延时 或 用于产生时基，维持操作系统的“心跳”。即该硬件定时器用来产生某些使用了时基的系统（FreeRTOS、UCOS 等）需要的“滴答”中断。
   • SysTick 是属于 CM3 内核的外设，所有基于 CM3 内核的单片机都具有这个系统定时器。使得操作系统和其它系统软件在 CM3 器件间可以很容易的移植。
   • 该定时器的时钟源可以是内部时钟（FCLK， CM3 上的自由运行时钟），或者是外部时钟（ CM3 处理器上的 STCLK 信号）。 具体需要检视芯片的器件手册来决定选择什么作为时钟源。
   • 节省 MCU 外设资源（不浪费 MCU 内部集成的 TIMER），睡眠模式下也可以工作。

​ SysTick 定时器可以选择不同的时钟源，可以产生中断，并且 SysTick 定时器是一个倒计数的计数器，每隔一个时钟周期计数值减一，计数至 0 后重新从计数初值处开始倒计数。因此，SysTick 也可用作精准延时。 ​ SysTick 定时器在《STM32F10x- 参考手册》里一个屁都没放，只有在《ARM Cortex-M3 技术参考手册》和《ARM Cortex-M3 权威指南》才找到相关寄存器的介绍。

二：SysTick 的时钟频率

• 在《STM32F10x- 参考手册》中查看有关 SysTick 时钟频率的时钟树。如下图
  

从图中可以看出 SysTick 有两种模式：一种是 8 分频模式（AHB/8），一种是 FCLK 模式（AHB）。AHB 最大频率可为 SYSCLK （在 f1系列为 72M，f4 系列为 168M ）。详细参看《STM32F10x 参考手册》。

三：SysTick 的配置

• 《ARM Cortex-M3 权威指南》中 SysTick 包含四个寄存器，都是 24 位的寄存器，分别是：
  
• 从上图可以得知，Systick 寄存器 分别为：
  1. CTRL：控制和状态寄存器。主要用作 配置 SysTick 的时钟源、开启 SysTick 定时器中断以及开启 SysTick 定时器。
  2. LOAD：重装载数值寄存器。主要作用就是配置 SysTick 的重装载值（一般是配置为 1ms 或者1us 需要递减计数的数值。比如在频率为 72M 下，1us 就需要计数 72 下，1ms 需要递减 72000 下。）并且需要注意的是，SysTick 定时器是一个 24 位递减计数器，所以重装载数值寄存器 LOAD 仅仅用到低 24 位（bit0 ~ bit23），从而使得可以设置的最大值为 16777215。
  3. VAL：当前数值寄存器。主要作用就是用 延时函数中。（在后面的 us 延时函数中有用到）。
  4. CALIB：校准数值寄存器。我没怎么用过，就不怎么清楚。

​ 综上所述，SysTick 是一个 24 位的倒计数定时器，当技术到 0 时，会产生 “滴答” 并 将从 RELOAD 寄存器中自动重装载定时初值。只要 SysTick 控制及状态寄存器中的使能位没有清 0，SysTick 定时器就会一直运行。

• 在 core_cm3.h 中声明了可使用的 SysTick 的结构体，声明如下：

  typedef struct
  {
    __IO uint32_t CTRL;                    /*控制和状态寄存器 */
    __IO uint32_t LOAD;                    /*重装载数值寄存器*/
    __IO uint32_t VAL;                     /*当前数值寄存器*/
    __I  uint32_t CALIB;                   /*校准数值寄存器*/
  } SysTick_Type;
  

• 其次，在 core_cm3.h 中，将 (SysTick_Type *) 进行宏定义为 SysTick。方便后面直接访问结构体内相关成员。

SysTick 初始化编程步骤

1. 配置 SysTick 时钟源

   固件库函数：SysTick_CLKSourceConfig( );

   头文件：misc.h

   参数： SysTick_CLKSource_HCLK_Div8 --> AHB 的8分频

   ​ SysTick_CLKSource_HCLK --> AHB

2. 配置 SysTick 的重装载值

3. 开 SysTick 中断 以及 开启 SysTick 定时器

四：SysTick 实现精准延时并兼容 FreeRTOS

SysTick 定时器初始化脑图

SysTick 进行初始化代码

void delay_init(u8 SYSCLK)
{
	u32 reload;
 	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); 
	fac_us=SYSCLK;							//不论是否使用 OS,fac_us 都需要使用，即 记录 1us 所需要的节拍数
	reload=SYSCLK;							//每 1us 的计数次数   
	reload*=1000000/configTICK_RATE_HZ;		//根据 FreeRTOS 中的 configTICK_RATE_HZ设定溢出时间，FreeRTOS 需要每 1ms 的定时器中断，因此设置的重装载数值为 SYSCLK*1000。 
	fac_ms=1000/configTICK_RATE_HZ;			//代表 OS 可以延时的最少单位，在 os 下,代表每个节拍的ms 数	   
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;//开启 SYSTICK 中断
	SysTick->LOAD=reload; 					//因为加 入FreeRTOS，所以设置为每 1ms 中断一次	
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //开启 SYSTICK     
}	

• 注释：假设系统频率为 72M HZ，那么 SysTick 定时器每 1s 的计数数值为 72000000。同理，SysTick 定时器节拍数为 72000，那么就是 1ms；为 72，就是 1us。

微妙延时函数的实现

void delay_us(u32 nus) 						// nus：要延时的 us 数
{		
	u32 ticks;								// 记录需要延时微妙时间的 节拍数
	u32 told,tnow,tcnt=0;
	u32 reload=SysTick->LOAD;				//LOAD的值，重装载的数值	    	 
	ticks=nus*fac_us; 						//需要的节拍数 = 需要延时 us 数 * 1us 所需要的节拍数 
	told=SysTick->VAL;        				//通过 VAL 寄存器记录刚进入时的计数器值
	while(1)
	{
		tnow=SysTick->VAL;	
		if(tnow!=told)
		{	    
			if(tnow<told)tcnt+=told-tnow;	//这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了.
			else tcnt+=reload-tnow+told;	    
			told=tnow;
			if(tcnt>=ticks)break;			//时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
		}  
	};										    
}

• 延时函数的实现过程如下：
  

毫秒延时函数的实现

// 延时 nms，会引起任务调度
void delay_ms(u32 nms)				//nms:要延时的ms数
{	
	if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
	{		
		if(nms>=fac_ms)						//延时的时间大于OS的最少时间周期，即大于1ms
		{ 
   			vTaskDelay(nms/fac_ms);	 		//FreeRTOS延时
		}
		nms%=fac_ms;						//OS已经无法提供这么小的延时了,采用普通方式延时    
	}
	delay_us((u32)(nms*1000));				//普通方式延时，毫秒延时 = 微妙延时 * 1000
}

//延时nms,不会引起任务调度
void delay_xms(u32 nms)				//nms:要延时的ms数
{
	u32 i;
	for(i=0;i<nms;i++) delay_us(1000);
}

五：参考

【1】STM32: SysTick系统定时器–滴答定时器

【2】Systick定时器

【3】Stm32-SysTick详解

【4】单片机（四）Systick系统定时器

【5】SysTick定时器

【6】STM32F103 Systick配置

【7】《STM32F10x- 参考手册》

【8】《ARM Cortex-M3 技术参考手册》

【9】《ARM Cortex-M3 权威指南》