開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

Cortex-M的內(nèi)核中包含Systick定時器了，只要是Cortex-M系列的MCU就會有Systick，因此這是通用的，下面詳細(xì)分析。

1 Systick工作原理分析

SysTick 定時器被捆綁在 NVIC 中，用于產(chǎn)生 SysTick 異常（異常號 ：15）。在以前，操作系統(tǒng)和所有使用了時基的系統(tǒng)都必須有一個硬件定時器來產(chǎn)生需要的“滴答”中斷，作為整個系統(tǒng)的時基。滴答中斷對操作系統(tǒng)尤其重要。例如，操作系統(tǒng)可以為多個任務(wù)分配不同數(shù)目的時間片，確保沒有一個任務(wù)能霸占系統(tǒng) ；或者將每個定時器周期的某個時間范圍賜予特定的任務(wù)等，操作系統(tǒng)提供的各種定時功能都與這個滴答定時器有關(guān)。因此，需要一個定時器來產(chǎn)生周期性的中斷，而且最好還讓用戶程序不能隨意訪問它的寄存器，以維持操作系統(tǒng)“心跳”的節(jié)律。

Cortex-M3 在內(nèi)核部分包含了一個簡單的定時器——SysTick。因為所有的 CM3 芯片都帶有這個定時器，軟件在不同芯片生產(chǎn)廠商的 CM3 器件間的移植工作就得以簡化。該定時器的時鐘源可以是內(nèi)部時鐘（FCLK，CM3 上的自由運(yùn)行時鐘），或者是外部時鐘。不過，外部時鐘的具體來源則由芯片設(shè)計者決定，因此不同產(chǎn)品之間的時鐘頻率可能大不相同。因此，需要閱讀芯片的使用手冊來確定選擇什么作為時鐘源。在 GD32 中SysTick 以 HCLK（AHB 時鐘）或 HCLK/8 作為運(yùn)行時鐘，見上圖。

SysTick 定時器能產(chǎn)生中斷，CM3 為它專門開出一個異常類型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件在 CM3 器件間的移植變得簡單多了，因為在所有 CM3 產(chǎn)品間，SysTick 的處理方式都是相同的。SysTick 定時器除了能服務(wù)于操作系統(tǒng)之外，還能用于其他目的，如作為一個鬧鈴、用于測量時間等。 Systick 定時器屬于Cortex 內(nèi)核部件 ，可以參考《ARM Cortex-M3 權(quán)威指南》（（英）JosephYiu 著，宋巖譯，北京航空航天大學(xué)出版社出版）來了解。

2 Systick寄存器分析

在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件按中通常實現(xiàn) Delay(N) 函數(shù)的方法為：

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

x --- ;

對于GD32系列微處理器來說，執(zhí)行一條指令只有幾十個 ns，進(jìn)行 for 循環(huán)時，要實現(xiàn) N 毫秒的 x 值非常大，而且由于系統(tǒng)頻率的寬廣，很難計算出延時 N 毫秒的精確值。針對GD32 微處理器，需要重新設(shè)計一個新的方法去實現(xiàn)該功能，以實現(xiàn)在程序中使用 Delay(N)。

Cortex-M3 的內(nèi)核中包含一個 SysTick 時鐘。SysTick 為一個 24 位遞減計數(shù)器，SysTick 設(shè)定初值并使能后，每經(jīng)過 1 個系統(tǒng)時鐘周期，計數(shù)值就減 1。計數(shù)到 0 時，SysTick 計數(shù)器自動重裝初值并繼續(xù)計數(shù)，同時內(nèi)部的 COUNTFLAG 標(biāo)志會置位，觸發(fā)中斷 (如果中斷使能情況下)。

在 GD32 的應(yīng)用中，使用 Cortex-M3 內(nèi)核的 SysTick 作為定時時鐘，設(shè)定每一毫秒產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理函數(shù)里對 N 減一，在Delay(N) 函數(shù)中循環(huán)檢測 N 是否為 0，不為 0 則進(jìn)行循環(huán)等待；若為 0 則關(guān)閉 SysTick 時鐘，退出函數(shù)。

注： 全局變量 TimingDelay , 必須定義為 volatile 類型 , 延遲時間將不隨系統(tǒng)時鐘頻率改變。

Cortex-M3中的Systick部分內(nèi)容屬于NVIC控制部分，一共有4個寄存器，名稱和地址分別是：

• STK_CTRL,0xE000E010--控制寄存器

第0位：ENABLE，Systick 使能位

（0：關(guān)閉Systick功能；1：開啟Systick功能）

第1位：TICKINT，Systick 中斷使能位

（0：關(guān)閉Systick中斷；1：開啟Systick中斷）

第2位：CLKSOURCE，Systick時鐘源選擇

（0：使用HCLK/8 作為Systick時鐘；1：使用HCLK作為Systick時鐘）

第16位：COUNTFLAG，Systick計數(shù)比較標(biāo)志，如果在上次讀取本寄存器后，SysTick 已經(jīng)數(shù)到了0，則該位為1。如果讀取該位，該位將自動清零

• STK_LOAD, 0xE000E014--重載寄存器

Systick是一個遞減的定時器，當(dāng)定時器遞減至0時，重載寄存器中的值就會被重裝載，繼續(xù)開始遞減。STK_LOAD 重載寄存器是個24位的寄存器最大計數(shù)0xFFFFFF。

• STK_VAL, 0xE000E018--當(dāng)前值寄存器

也是個24位的寄存器，讀取時返回當(dāng)前倒計數(shù)的值，寫它則使之清零，同時還會清除在SysTick控制及狀態(tài)寄存器中的COUNTFLAG標(biāo)志。

• STK_CALRB, 0xE000E01C--校準(zhǔn)值寄存器

校準(zhǔn)值寄存器提供了這樣一個解決方案：它使系統(tǒng)即使在不同的CM3產(chǎn)品上運(yùn)行，也能產(chǎn)生恒定的SysTick中斷頻率。最簡單的作法就是：直接把TENMS的值寫入重裝載寄存器，這樣一來，只要沒突破系統(tǒng)極限，就能做到每10ms來一次 SysTick異常。如果需要其它的SysTick異常周期，則可以根據(jù)TENMS的值加以比例計算。只不過，在少數(shù)情況下， CM3芯片可能無法準(zhǔn)確地提供TENMS的值（如， CM3的校準(zhǔn)輸入信號被拉低），所以為保險起見，最好在使用TENMS前檢查器件的參考手冊。

SysTick定時器除了能服務(wù)于操作系統(tǒng)之外，還能用于其它目的：如作為一個鬧鈴，用于測量時間等。要注意的是，當(dāng)處理器在調(diào)試期間被喊停（ halt）時，則SysTick定時器亦將暫停運(yùn)作。

3 Systick定時器實現(xiàn)

SysTick屬于Cortex-M內(nèi)核的部分，因此其相關(guān)的定義在core_cm3.h文件中。

3.1 main文件分析

主函數(shù)如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();
	
    /* configure LED1 GPIO port */
    led_init(LED1);

    /* configure LED2 GPIO port */
    led_init(LED2);

    /* configure LED3 GPIO port */
    led_init(LED3);

    /* configure LED4 GPIO port */
    led_init(LED4);

    while(1) 
    {
        /* turn on LED1, turn off LED4 */
        led_on(LED1);
        led_off(LED4);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn on LED2, turn off LED1 */
        led_on(LED2);
        led_off(LED1);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn on LED3, turn off LED2 */
        led_on(LED3);
        led_off(LED2);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);

        /* turn on LED4, turn off LED3 */
        led_on(LED4);
        led_off(LED3);
        /*delay 500ms*/
        delay_ms(500);
    }
}

在 main 函數(shù)中，sysTick_init和 delay_us() 這兩個函數(shù)比較陌生，它們的功能分別是配置好 SysTick 定時器和進(jìn)行精確延時。整個 main 函數(shù)的流程就是初始化 LED 及SysTick 定時器之后，就進(jìn)入死循環(huán)，點(diǎn)亮LED的時間為精確的 500 ms。

3.2 gd32f207i_systick_eval.c文件分析

• 配置并啟動 SysTick

我們看一下systick_init()這個函數(shù)，其功能是啟動系統(tǒng)滴答定時器 SysTick。

/*
    brief      SysTick init
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void sysTick_init(void)
{
	 /* SystemFrequency / 1000    1ms中斷一次
	  * SystemFrequency / 100000  10us中斷一次
	  * SystemFrequency / 1000000 1us中斷一次
	  */
    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts */
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000U)){
        /* capture error */
        while(1){
        }
    }

    // 關(guān)閉滴答定時器  
    SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    /* configure the systick handler priority */
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);
}

本函數(shù)實際上只是調(diào)用了 SysTick_Config() 函數(shù)，它是屬于內(nèi)核層的 Cortex-M3 通用函數(shù)，位于 core_cm3.h 文件中。若調(diào)用 SysTick_Config() 配置 SysTick 不成功，則進(jìn)入死循環(huán)，初始化 SysTick 成功后，先關(guān)閉定時器，在需要的時候再開啟。SysTick_Config() 函數(shù)無法在GD32 外設(shè)固件庫文件中找到其使用方法。所以我們在 Keil 環(huán)境下直接跟蹤這個函數(shù)到 core_cm3.h 文件，查看函數(shù)的定義。

/** \\brief  System Tick Configuration

    The function initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
    Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.

    \\param [in]  ticks  Number of ticks between two interrupts.

    \\return          0  Function succeeded.
    \\return          1  Function failed.

    \\note     When the variable __Vendor_SysTickConfig is set to 1, then the
    function SysTick_Config is not included. In this case, the file device.h
    must contain a vendor-specific implementation of this function.

 */
__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
  if ((ticks - 1) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);      /* Reload value impossible */

  SysTick->LOAD  = ticks - 1;                                  /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Systick Interrupt */
  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 */
}

在這個函數(shù)定義的前面有關(guān)于它的注釋，如果我們不想去研究它的具體實現(xiàn)，可以根據(jù)這段注釋了解函數(shù)的功能 ：這個函數(shù)啟動了 SysTick ；并把它配置為計數(shù)至 0 時引起中斷 ；輸入的參數(shù) ticks 為兩個中斷之間的脈沖數(shù)，即相隔 ticks 個時鐘周期會引起一次中斷 ；配置 SysTick 成功時返回 0，出錯時返回 1。但是，這段注釋并沒有告訴我們它把 SysTick 的時鐘設(shè)置為 AHB 時鐘還是 AHB/8，這是一個十分關(guān)鍵的問題，于是，我們將對這個函數(shù)的具體實現(xiàn)進(jìn)行分析，與大家再分享一下如何分析底層庫函數(shù)。分析底層庫函數(shù)，要有 SysTick 定時器工作分析的知識準(zhǔn)備。

• 檢查輸入?yún)?shù)

SysTick_Config() 第 3 行代碼是檢查輸入?yún)?shù) ticks，因為 ticks 是脈沖計數(shù)值，要被保存到重載寄存器 STK_LOAD 寄存器中，再由硬件把 STK_LOAD 值加載到當(dāng)前計數(shù)值寄存器 STK_VAL 中使用，STK_LOAD 和 STK_VAL 都是 24 位的，所以當(dāng)輸入?yún)?shù) ticks 大于其可存儲的最大值時，將由這行代碼檢查出錯誤并返回。

• 位指示宏及位屏蔽宏

檢查 ticks 參數(shù)沒有錯誤后，就稍稍處理一下把 ticks-1 賦值給 STK_LOAD 寄存器，要注意的是減 1，若 STK_VAL 從 ticks?1 向下計數(shù)至 0，實際上就經(jīng)過了 ticks 個脈沖。這句賦值代碼使用了宏 SysTick_LOAD_RELOAD_Msk，與其他庫函數(shù)類似，這個宏是用來指示寄存器的特定位置或進(jìn)行位屏蔽的。

/* SysTick Control / Status Register Definitions */
#define SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Pos         16                                             /*!< SysTick CTRL: COUNTFLAG Position */
#define SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk         (1ul << SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Pos)            /*!< SysTick CTRL: COUNTFLAG Mask */

#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos          2                                             /*!< SysTick CTRL: CLKSOURCE Position */
#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk         (1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos)            /*!< SysTick CTRL: CLKSOURCE Mask */

#define SysTick_CTRL_TICKINT_Pos            1                                             /*!< SysTick CTRL: TICKINT Position */
#define SysTick_CTRL_TICKINT_Msk           (1ul << SysTick_CTRL_TICKINT_Pos)              /*!< SysTick CTRL: TICKINT Mask */

#define SysTick_CTRL_ENABLE_Pos             0                                             /*!< SysTick CTRL: ENABLE Position */
#define SysTick_CTRL_ENABLE_Msk            (1ul << SysTick_CTRL_ENABLE_Pos)               /*!< SysTick CTRL: ENABLE Mask */

/* SysTick Reload Register Definitions */
#define SysTick_LOAD_RELOAD_Pos             0                                             /*!< SysTick LOAD: RELOAD Position */
#define SysTick_LOAD_RELOAD_Msk            (0xFFFFFFul << SysTick_LOAD_RELOAD_Pos)        /*!< SysTick LOAD: RELOAD Mask */

/* SysTick Current Register Definitions */
#define SysTick_VAL_CURRENT_Pos             0                                             /*!< SysTick VAL: CURRENT Position */
#define SysTick_VAL_CURRENT_Msk            (0xFFFFFFul << SysTick_VAL_CURRENT_Pos)        /*!< SysTick VAL: CURRENT Mask */

/* SysTick Calibration Register Definitions */
#define SysTick_CALIB_NOREF_Pos            31                                             /*!< SysTick CALIB: NOREF Position */
#define SysTick_CALIB_NOREF_Msk            (1ul << SysTick_CALIB_NOREF_Pos)               /*!< SysTick CALIB: NOREF Mask */

#define SysTick_CALIB_SKEW_Pos             30                                             /*!< SysTick CALIB: SKEW Position */
#define SysTick_CALIB_SKEW_Msk             (1ul << SysTick_CALIB_SKEW_Pos)                /*!< SysTick CALIB: SKEW Mask */

#define SysTick_CALIB_TENMS_Pos             0                                             /*!< SysTick CALIB: TENMS Position */
#define SysTick_CALIB_TENMS_Msk            (0xFFFFFFul << SysTick_VAL_CURRENT_Pos)        /*!< SysTick CALIB: TENMS Mask */
/*@}*/ /* end of group CMSIS_CM3_SysTick */

其中寄存器位指示宏 ：SysTick_xxx_Pos ，宏展開后即為 xxx 在相應(yīng)寄存器中的位置，如控制 SysTick 時鐘源的 SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos ，宏展開為 2，這個寄存器位正是寄存器 STK_CTRL 中的 Bit2。

而寄存器位屏蔽宏 ：SysTick_xxx_Msk，宏展開是 xxx 的位全部置 1 后，左移SysTick_xxx_Pos 位。如控制 SysTick 時鐘源的 SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk，宏展開為“1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos”， 把無符號長整型數(shù)值（ul） 1 左移 2 位， 得 到 了 一 個 只 有 Bit2 ：CLKSOURCE 位被置 1，其他位為 0 的數(shù)值，這樣的數(shù)值配合位操作 &（按位與）、| （按位或）可以很方便地修改寄存器的某些位。假如控制 CLKSOURCE 需 要 4 個寄存器位，這個宏就應(yīng)該被改為（ 0xf ul <

• 配置中斷向量及重置 STK_VAL 寄存器

回到 SysTick_Config() 函數(shù)，接下來調(diào)用了 NVIC_SetPriority () 函數(shù)并配置了 SysTick中斷，如果想修改SysTick的優(yōu)先級，也可以在外部使用 NVIC 配置 SysTick 中斷。配置好SysTick 中斷后把 STK_VAL 寄存器重新賦值為 0（在使能 SysTick 時，硬件會把存儲在STK_LOAD 寄存器 中的 ticks 值加載給它）。

• 配置 SysTick 時鐘為 AHB

在這段代碼最后，向 STK_CTRL 寄存器寫入了 SysTick 的控制參數(shù)，配置為使用AHB 時鐘，使能計數(shù)至 0 時引起中斷，使能 SysTick。執(zhí)行了這行代碼，SysTick 就開始運(yùn)行并進(jìn)行脈沖計數(shù)了。

若想要使用 AHB/8 作為時鐘，可以直接在SysTick_Config()函數(shù)中對SysTick->CTRL進(jìn)行修改，當(dāng)然最好自定義sysTick_init()函數(shù)中修改。

• 使能、關(guān)閉定時器

由于調(diào)用 SysTick_Config() 函數(shù)之后，SysTick 定時器就被開啟了，但我們在初始化的時候并不希望這樣，而是根據(jù)需要再開啟。所以在 sysTick_init() 函數(shù)中，調(diào)用完SysTick_Config() 并配置好后，應(yīng)先把定時器關(guān)閉了。SysTick 的開啟和關(guān)閉由寄存器STK_CTRL 的 Bit0 ：ENABLE 位來控制，使用位屏蔽宏以操作寄存器的方式實現(xiàn)。

SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; // 使能滴答定時器
SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; // 關(guān)閉滴答定時器

• 定時時間的計算

在調(diào)用SysTick_Config()函數(shù)時，向它輸入的參數(shù)為SystemCoreClock / 100000，SystemCoreClock為定義了系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）頻率的宏，即等于 AHB的時鐘頻率。在本書的所有例程中AHB 都是被配置為 120MHz 的，也就是這個 SystemCoreClock 宏展開為數(shù)值 12000 0000。

根據(jù)前面對 SysTick_Config() 函數(shù)的介紹，它的輸入?yún)?shù)為 SysTick 將要計時的脈沖數(shù)，經(jīng)過 ticks 個脈沖（經(jīng)過 ticks 個時鐘周期）后將觸發(fā)中斷，觸發(fā)中斷后又重新開始計數(shù)。由此我們可以算出定時的時間，下面為計算公式 ：

T=ticks×(1/f)

其中，T 為要定時的總時間 ；ticks 為 SysTick_Config() 的輸入?yún)?shù) ；1/ f 即為SysTick 使用的時鐘源的時鐘周期，f 為該時鐘源的時鐘頻率，當(dāng)時鐘源確定后為常數(shù)。

本例中使用時鐘源為 AHB 時鐘，其頻率被配置為 120 MHz。調(diào)用函數(shù)時，把 ticks 賦值為 ticks=SystemFrequency / 100000 =1200，表示 1200 個時鐘周期中斷一次 ；1/f 是時鐘周期的時間，此時1/f =1/120 us，所以最終定時總時間 T=1200x(1/120)，為1200 個時鐘周期，正好是 10us。

SysTick 定時器的定時時間（配置為觸發(fā)中斷，即為中斷周期）由 ticks 參數(shù)決定，最大定時周期不能超過 224 個。

• 編寫中斷服務(wù)函數(shù)

一旦我們調(diào)用了 delay_us() 函數(shù)，SysTick 定時器就被開啟，按照設(shè)定好的定時周期遞減計數(shù)，當(dāng) SysTick 的計數(shù)寄存器的值減為 0 時，就進(jìn)入中斷函數(shù)，當(dāng)中斷函數(shù)執(zhí)行完畢之后重新計時，如此循環(huán)，除非它被關(guān)閉。

/*
    brief      delay a time
    param[in]  count: count
    param[out] none
    retval     none
*/
void delay_us(uint32_t count)
{
    delay = count;

    // 使能滴答定時器  
    SysTick->CTRL |=  SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    while(0U != delay){
    }
}

使能了 SysTick 之后，就使用while(0U != delay)語句等待 delay 變量變?yōu)?0，這個變量是在中斷服務(wù)函數(shù)中被修改的。因此，我們需要編寫相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，在本實驗室中我們配置為 10us 中斷一次，每次中斷把 delay 減 1。中斷程序在 gd32f10x_it.c 中實現(xiàn)。

void SysTick_Handler(void)
{
    delay_decrement ();	
}

SysTick中斷屬于系統(tǒng)異常向量，在gd32f10x_it.c文件中已經(jīng)默認(rèn)有了它的中斷服務(wù)函數(shù)SysTick_Handler()，但內(nèi)容為空。我們找到這個函數(shù)，其調(diào)用了用戶函數(shù)delay_decrement()。后者是由用戶編寫的一個應(yīng)用程序。

/*
    brief      delay decrement
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void delay_decrement(void)
{
    if(0U != delay){
        delay--;
    }
}

每次進(jìn)入 SysTick 中斷就調(diào)用一次 delay_decrement()函數(shù)，使全局變量delay 自減一次。用戶函數(shù) delay_us ()在delay 被減至0時，才退出延時循環(huán)，即我們對 delay 賦的值為要中斷的次數(shù)。所以總的延時時間 ：

T 延時 = T 中斷周期 x delay

至此，SysTick 的精確延時功能講解完畢。

4 實驗現(xiàn)象

將編譯好的程序下載到板子中，可以看到LED燈不同地閃爍。