淺析單片機(jī)的周期關(guān)系和定時(shí)器原理

時(shí)鐘周期：

時(shí)鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時(shí)間發(fā)出的脈沖數(shù)，一般有外部的振晶產(chǎn)生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒發(fā)出12000000個(gè)脈沖信號(hào)，那么發(fā)出一個(gè)脈沖的時(shí)間就是時(shí)鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統(tǒng)時(shí)鐘周期。是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。

在8051單片機(jī)中把一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍(用P表示)，二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期(用S表示)。

機(jī)器周期：

在計(jì)算機(jī)中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項(xiàng)工作。例如，取指令、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)等，這每一項(xiàng)工作稱為一個(gè)基本操作。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè)S周期(狀態(tài)周期)組成。8051系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期同6個(gè)S周期(狀態(tài)周期)組成。前面已說(shuō)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍(用P表示)，二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期(用S表示)，8051單片機(jī)的機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)周期組成，也就是說(shuō)一個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)時(shí)鐘周期。

在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)中，一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，也就是機(jī)器周期=12*時(shí)鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那么機(jī)器周期=1微秒。單片機(jī)工作時(shí)，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱之為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。

機(jī)器周期不僅對(duì)于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機(jī)器周期也是單片機(jī)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的時(shí)間基準(zhǔn)。例如一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHZ晶振，那么當(dāng)定時(shí)器的數(shù)值加1時(shí)，實(shí)際經(jīng)過(guò)的時(shí)間就是1us，這就是單片機(jī)的定時(shí)原理。

但是在8051F310中，CIP-51 微控制器內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12-24MHz。而對(duì)于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 所以在計(jì)算定時(shí)器的值時(shí)要注意這里的變化。

指令周期：

指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機(jī)器周期。對(duì)于一些比較復(fù)雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)器周期。

系統(tǒng)時(shí)鐘：

系統(tǒng)時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘就是CPU指令運(yùn)行的頻率，這個(gè)才是CPU真正的頻率。

單片機(jī)內(nèi)部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)源，由這個(gè)信號(hào)來(lái)同步協(xié)調(diào)工作步驟，我們把這個(gè)信號(hào)稱為系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘不一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，正常情況和晶振頻率會(huì)存在一個(gè)整數(shù)倍關(guān)系。系統(tǒng)時(shí)種是整個(gè)單片機(jī)工作節(jié)奏的基準(zhǔn)，它每振蕩一次，單片機(jī)就被觸發(fā)執(zhí)行一次操作。

一般來(lái)說(shuō),單片機(jī)只有一個(gè)時(shí)鐘源.用了外部晶振,就不用內(nèi)部RC,用了內(nèi)部RC,就不用外部晶振.振蕩器振蕩,產(chǎn)生周期波.單片機(jī)在這樣的周期波的作用一下有規(guī)律的一拍一拍的工作,波的頻率越高,單片工作得就越快,波的頻率越低,單片機(jī)工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正確的理解定時(shí)器的工作原理了，在8051F310單片機(jī)中，有3個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計(jì)時(shí)器，最大數(shù)值是65535,當(dāng)再加1時(shí)(=65536)，就會(huì)發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計(jì)1000個(gè)數(shù)， 那么定時(shí)初值就是65536-1000，結(jié)果就是64536，這個(gè)值送給TH、TL，因?yàn)槭?6進(jìn)制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一計(jì)數(shù)的時(shí)間是多久?一般我們?nèi)?2M晶振時(shí)，一個(gè)周期剛好是1us，計(jì)數(shù)1000個(gè)就是1ms，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)是12時(shí)鐘周期的(STC有6時(shí)鐘和1時(shí)鐘方式)。那么，如果我們晶振是12M，就比較好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每個(gè)計(jì)數(shù)是2us，那么你要定時(shí)1ms就只要計(jì)數(shù)500個(gè)即可以。

定時(shí)器的初值跟定時(shí)器的工作方式，跟晶振頻率都有關(guān)系。一個(gè)機(jī)器周期Tcy=晶振頻率X12，計(jì)數(shù)次數(shù)N=定時(shí)時(shí)間t/機(jī)器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數(shù)化成十六進(jìn)制就行了。這里是用定時(shí)器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。這里有一個(gè)公式：

TH=(65536-time/(12/ft))/256

其中，time就是要延時(shí)的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個(gè)式子又可以簡(jiǎn)化成

TH=(65536-time*ft/12)/256

TL=(65536-time*ft/12)%6

在一本書(shū)上還看到了這樣計(jì)算定時(shí)初值的：

TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時(shí)初值

TL0=-(50235%6); ///這里使用的6M晶體，

這里是6M晶體，延時(shí)100ms，那么按上面講的原理，6M是每個(gè)計(jì)數(shù)為2us，100ms定時(shí)就是計(jì)數(shù)50000個(gè)。

那么，定時(shí)器初值要 65536-50000=15536，轉(zhuǎn)成16進(jìn)是3CB0。這就是要送給TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

程序中寫(xiě) TH0=-(50235/256);其實(shí)它是這樣的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取負(fù)數(shù)，其結(jié)果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十進(jìn)制的256)去減，結(jié)果是多少呢?結(jié)果就是3C。

以STM32F103為例，進(jìn)行解析

STM32的TIM一般有高級(jí)定時(shí)器TIM1，(TIM8只有在互聯(lián)性產(chǎn)品有)，普通定時(shí)器TIM2，TIM3，TIM4，(TIM5，TIM6，TIM7有點(diǎn)設(shè)備中沒(méi)有)；今天就只介紹普通定時(shí)器，因?yàn)楦呒?jí)定時(shí)器我還不會(huì)！每一個(gè)普通定時(shí)器都有4路通道！

我們先看看這個(gè)邏輯圖吧！我們今天先討論討論定時(shí)器的問(wèn)題！我用紅色筆標(biāo)過(guò)的路線就是定時(shí)器的工作路線，時(shí)鐘有內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生，到PSC哪里進(jìn)行分頻處理，然后CNT進(jìn)行計(jì)數(shù)，上面還有一個(gè)自動(dòng)重裝載寄存器APP。

這個(gè)是分頻器的工作原理，我們可以看，分頻器設(shè)定之前分頻系數(shù)為1[1]，后面的[2][3][4]分頻系數(shù)為2，分頻系數(shù)改變后，計(jì)數(shù)周期也跟著改變了；同時(shí)預(yù)分頻設(shè)置生效時(shí)，他還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，這個(gè)中斷信號(hào)不要管他，一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后會(huì)自動(dòng)消失，跟I2C的差不多！

這個(gè)是計(jì)數(shù)過(guò)程，上面說(shuō)過(guò)了，計(jì)數(shù)跟分頻后的周期有關(guān)；當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到裝載的數(shù)值之后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)三個(gè)信號(hào)，其中溢出信號(hào)和更新事件一個(gè)時(shí)鐘周期后會(huì)自動(dòng)消失，而這時(shí)候觸發(fā)了更新中斷標(biāo)志位UIF，我們可以用這個(gè)UPDATE來(lái)做定時(shí)器的中斷標(biāo)志信號(hào)！

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_UPDATE, ENABLE);

stm32f103xx器件功能與配置

3、stm32f103zet6 定時(shí)器

大容量的STM32F103XX增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包含最多2個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、4個(gè)普通定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器，以及2個(gè)看門狗定時(shí)器和1個(gè)系統(tǒng)嘀嗒定時(shí)器。

下表比較了高級(jí)控制定時(shí)器、普通定時(shí)器和基本定時(shí)器的功能：

定時(shí)器功能比較

1）計(jì)數(shù)器三種計(jì)數(shù)模式

向上計(jì)數(shù)模式：從0開(kāi)始，計(jì)到arr預(yù)設(shè)值，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計(jì)時(shí)

向下計(jì)數(shù)模式：從arr預(yù)設(shè)值開(kāi)始，計(jì)到0，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計(jì)時(shí)

中央對(duì)齊模式：從0開(kāi)始向上計(jì)數(shù)，計(jì)到arr產(chǎn)生溢出事件，然后向下計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到1以后，又產(chǎn)生溢出，然后再?gòu)?開(kāi)始向上計(jì)數(shù)。（此種技術(shù)方法也可叫向上/向下計(jì)數(shù)）

2）高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1和TIM8）

兩個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1和TIM8）可以被看成是分配到6個(gè)通的三三相PWM發(fā)生器，它具有帶死區(qū)插入的互補(bǔ)PWM輸出，還可以被當(dāng)成完整的通用定時(shí)器。四個(gè)獨(dú)立的通道可以用于：

（1）輸入捕獲

（2）輸出比較

（3）產(chǎn)生PWM（邊緣或中心對(duì)齊模式）

（4）單脈沖輸出

配置為16位標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器時(shí)，它與TIMX定時(shí)器具有相同的功能。配置為16位PWM發(fā)生器時(shí)，它具有全調(diào)制能力（0~100%）。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)，同時(shí)PWM輸出被禁止，從而切斷由這些輸出所控制的開(kāi)關(guān)。很多功能都與標(biāo)準(zhǔn)的TIM定時(shí)器相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相同，因此高級(jí)控制定時(shí)器可以通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與TIM定時(shí)器協(xié)同操作，提供步或事件鏈接功能。

3）通用定時(shí)器（TlMx）

STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增強(qiáng)型系列產(chǎn)品中，內(nèi)置了多達(dá)4 個(gè)可同步運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器（TIM2、TIM3、TIM4和TIM5）。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)16位的自動(dòng)加載遞加/遞減計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位的預(yù)分頻器和4個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多16個(gè)輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與高級(jí)控制定時(shí)器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。任一標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器都能用于產(chǎn)生：PWM輸出。每個(gè)定時(shí)器都有獨(dú)立的DMA請(qǐng)求機(jī)制。

這些定時(shí)器還能夠處理增量編碼器的信號(hào)，也能處理1至3個(gè)霍爾傳感器的數(shù)字輸出。

4）基本定時(shí)器-TlM6和TIM7

這2個(gè)定時(shí)器主要是用于產(chǎn)生：DAC觸發(fā)信號(hào)，也可當(dāng)成通用的16位時(shí)基計(jì)數(shù)器。獨(dú)立看門 狗獨(dú)立的看門狗是基于一個(gè)12位的遞減計(jì)數(shù)器和一個(gè)8位的預(yù)分頻器，它由一個(gè)內(nèi)部獨(dú)立的40kHz的RC振蕩器提供時(shí)鐘; 因?yàn)檫@個(gè)RC振蕩器獨(dú)立于主時(shí)鐘，所以它可運(yùn)行于停機(jī)和待機(jī)模式。它可以被當(dāng)成看門狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)，或作為一個(gè)自由定時(shí)器為應(yīng)用程序提供超時(shí)管理。通過(guò)選項(xiàng)字節(jié)可以配置成是軟件或硬件啟動(dòng)看門狗。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。

5）窗口看門狗

窗口看門狗內(nèi)有一個(gè)7位的遞減計(jì)數(shù)器，并可以設(shè)置成自由運(yùn)行。它可以被當(dāng)成看門狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。它由主時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，具有早期預(yù)警中斷功能; 在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。

6）系統(tǒng)時(shí)基定時(shí)器

這個(gè)定時(shí)器是專用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也可當(dāng)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的遞減計(jì)數(shù)器。它具有下述特性：

（1）24位的遞減計(jì)數(shù)器

（2）自動(dòng)重加載功能

（3）當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)可屏蔽系統(tǒng)中斷

（4）可編程時(shí)鐘源

7）通用定時(shí)器的時(shí)鐘來(lái)源;

a：內(nèi)部時(shí)鐘（CK_INT）

b：外部時(shí)鐘模式1：外部輸入腳（TIx）

c：外部時(shí)鐘模式2：外部觸發(fā)輸入（ETR）

d：內(nèi)部觸發(fā)輸入（ITRx）：使用一個(gè)定時(shí)器作為另一個(gè)定時(shí)器的預(yù)分頻器

8）通用定時(shí)期內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)生：

從截圖可以看到通用定時(shí)器（TIM2-7）的時(shí)鐘不是直接來(lái)自APB1，而是通過(guò)APB1的預(yù)分頻器以后才到達(dá)定時(shí)器模塊。

當(dāng)APB1的預(yù)分頻器系數(shù)為1時(shí)，這個(gè)倍頻器就不起作用了，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB1的頻率；

當(dāng)APB1的預(yù)分頻系數(shù)為其它數(shù)值（即預(yù)分頻系數(shù)為2、4、8或16）時(shí)，這個(gè)倍頻器起作用，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB1時(shí)鐘頻率的兩倍。

這里要分析一下幾個(gè)概念，也是理解定時(shí)器的功能的核心概念，通用定時(shí)器有些類似于操作系統(tǒng)的定時(shí)器節(jié)拍，可以在定時(shí)器采用的時(shí)鐘源的基礎(chǔ)上再進(jìn)行分頻，然后再設(shè)定溢出大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)的功能，當(dāng)然自動(dòng)重載功能更不再話下。

預(yù)分頻的功能是使定時(shí)器在APB時(shí)鐘的基礎(chǔ)上再一次分頻，使其獨(dú)立的運(yùn)行。就像上述代碼中舉例，預(yù)分頻系數(shù)設(shè)定為36000-1，則表示該定時(shí)器的 時(shí)鐘頻率就變成了72MHz/36000 = 2KHz，而“計(jì)數(shù)溢出大小”可以理解為自動(dòng)裝載數(shù)值，表示每隔x個(gè)計(jì)數(shù)溢出一次，可以產(chǎn)生1次中斷，當(dāng)然這個(gè)頻率是經(jīng)過(guò)預(yù)分頻后的頻率。

所以從上述的分析可知，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間計(jì)算為：

Tout = (TIM_Period+1)*(TIM_Prescaler+1)/72000000

在本程序案例中：Tout= 2000*36000/72000000=1s

需要注意的是，公式中的72000000的使用，是因?yàn)樵摱〞r(shí)器采用的時(shí)鐘源為72MHz，如果配置成別的時(shí)鐘源，則相應(yīng)公式也應(yīng)該改變。

另外TIM_ClockDivision為時(shí)鐘分割，這個(gè)簡(jiǎn)單的講，就是定時(shí)器的數(shù)字濾波功能，設(shè)置成默認(rèn)即可。