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type: source
source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（进阶篇）V1.0.1 — 第1章：定时器 + 配套代码16~19"
author: "尚硅谷研究院"
date: 2026-07-15
created: 2026-07-15
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# SysTick与通用定时器TIM

> **用生活理解**：SysTick 就像厨房里的倒计时秒表——设好时间（LOAD 值），它倒数到 0 就"叮"一声（中断）。TIM 通用定时器就像高级可编程定时器——可以预分频（时间压缩/扩展）、自动重装（倒计时到 0 自动重新开始）、还能输出 PWM 或测量外部脉冲。SysTick 是内核自带的"简单秒表"，TIM 是片上外设的"多功能定时器"。

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## SysTick 系统定时器

SysTick 是 **Cortex-M3 内核自带的 24 位递减计数器**，属于内核外设，与具体芯片厂商无关。**在所有 Cortex-M3 产品间处理方式相同**。

> **参考**：Cortex-M3 权威指南 §8（SysTick 定时器）

### SysTick 寄存器

| 寄存器   | 地址偏移 | 功能                          |
| -------- | -------- | ----------------------------- |
| **CTRL** | 0x00     | 控制与状态寄存器              |
| **LOAD** | 0x04     | 重装载数值寄存器（24 位有效） |
| **VAL**  | 0x08     | 当前数值寄存器                |
| CALIB    | 0x0C     | 校准寄存器（一般不用）        |

**CTRL 寄存器位说明**：

| 位  | 名称          | 值含义                      | 说明                                          |
| --- | ------------- | --------------------------- | --------------------------------------------- |
| 0   | **ENABLE**    | 1=启动, 0=停止              | 计数器使能                                    |
| 1   | **TICKINT**   | 1=允许中断, 0=禁止          | 计数到 0 时是否产生 SysTick 异常              |
| 2   | **CLKSOURCE** | 1=AHB(72MHz), 0=AHB/8(9MHz) | 时钟源选择                                    |
| 16  | **COUNTFLAG** | 自动置 1                    | 计数到 0 时硬件置 1，读后或写 CTRL 时自动清 0 |

**LOAD 寄存器**：24 位有效（最大值 16,777,215）。

**VAL 寄存器**：读返回当前计数值；写任意值清 0 并清除 COUNTFLAG。

### SysTick 的两种用法

| 用法           | 配置                       | 特点                               |
| -------------- | -------------------------- | ---------------------------------- |
| **查询延时**   | CLKSOURCE=AHB, TICKINT=0   | 轮询 COUNTFLAG 标志，阻塞式        |
| **周期性中断** | CLKSOURCE=AHB/8, TICKINT=1 | 产生 1ms 定时中断（FreeRTOS 时基） |

### SysTick 延时实现（查询方式）

```c
// 微秒级延时（基于 SysTick 查询，AHB=72MHz）
void Delay_us(uint32_t us)
{
    // LOAD: 72MHz 下每 1us 需要计数 72 次
    // LOAD 最大 24 位 = 16,777,215，单次最大延时 ≈ 233ms
    SysTick->LOAD = 72 * us;

    // VAL: 清当前值（写任何值都清 0，同时清除 COUNTFLAG）
    SysTick->VAL  = 0;

    // CTRL: ENABLE=1, CLKSOURCE=1(AHB), TICKINT=0(无中断)
    // 0x05 = 二进制 0000 0101
    SysTick->CTRL = 0x05;

    // 轮询等待 COUNTFLAG 置 1（计数到 0）
    // SysTick_CTRL_COUNTFLAG = (1UL << 16)
    while (!(SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG))
    {
    }

    // 关闭定时器（写 0 到 ENABLE 位）
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE;  // &=~: ENABLE位清0
}

// 毫秒级延时（累加 1000 次微秒）
void Delay_ms(uint32_t ms)
{
    while (ms--)
    {
        Delay_us(1000);  // 1ms = 1000us
    }
}

void Delay_s(uint32_t s)
{
    while (s--)
    {
        Delay_ms(1000);
    }
}
```

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## 通用定时器 TIM

STM32F103ZET6 有 7 个定时器：

| 定时器     | 类型 | 位数 | 主要特性                                        |
| ---------- | ---- | ---- | ----------------------------------------------- |
| **TIM1**   | 高级 | 16   | 带互补 PWM 输出、死区插入、刹车功能（电机控制） |
| **TIM2~5** | 通用 | 16   | 时基、PWM、捕获/比较（最常用）                  |
| **TIM6~7** | 基本 | 16   | 仅时基功能，无外部 I/O                          |

### TIM 时基单元结构

```
APBx 时钟 → PSC(预分频器) → CK_CNT → CNT(计数器) → ARR(自动重装)
                         ↓                       ↓
                      控制计数器时钟          溢出/更新事件(UEV)
```

**关键寄存器**：

| 寄存器                | 说明                                                                          | 范围             |
| --------------------- | ----------------------------------------------------------------------------- | ---------------- |
| **PSC** (预分频器)    | 对时钟分频，产生 CK_CNT                                                       | 16 位（0~65535） |
| **CNT** (计数器)      | 当前计数值                                                                    | 16 位（0~65535） |
| **ARR** (自动重装载)  | 计数到该值时产生溢出                                                          | 16 位（0~65535） |
| **CR1** (控制寄存器1) | CEN(使能)、UDIS(更新禁止)、URS(更新请求源)、OPM(单脉冲)、ARPE(自动重装预装载) | —                |
| **DIER** (中断使能)   | UIE(更新中断)、CCxIE(捕获比较中断)                                            | —                |
| **SR** (状态寄存器)   | UIF(更新标志)、CCxIF(捕获比较标志)                                            | —                |

### 计数器时钟频率计算

```
CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)
```

其中：

- CK_PSC = APB1 时钟（TIM2~7）或 APB2 时钟（TIM1）
- **注意**：如果 APB1 分频系数 ≠ 1，则 TIM2~7 的时钟 = APB1×2

**示例**（APB1=36MHz，分频=2 → TIM 时钟=72MHz）：

```
PSC = 7199 → CK_CNT = 72MHz / 7200 = 10KHz (0.1ms/计数)
PSC = 71999 → CK_CNT = 72MHz / 72000 = 1KHz (1ms/计数)
```

### 溢出时间公式

```
Tout = (ARR + 1) × (PSC + 1) / CK_PSC

CK_PSC = TIM 时钟频率（通常是 72MHz）
所以: Tout = (ARR + 1) × (PSC + 1) / 72,000,000
```

| ARR   | PSC   | 定时时长                 | 分辨率 |
| ----- | ----- | ------------------------ | ------ |
| 999   | 7199  | 1000×7200/72M = 100ms    | 0.1ms  |
| 9999  | 7199  | 10000×7200/72M = 1s      | 0.1ms  |
| 999   | 71999 | 1000×72000/72M = 1s      | 1ms    |
| 65535 | 65535 | 65536×65536/72M = ~59.6s | 0.91μs |

> **参考**：参考手册 §14（通用定时器寄存器描述）

### CR1 寄存器关键位

| 位  | 名称     | 功能说明                                                               |
| --- | -------- | ---------------------------------------------------------------------- |
| 0   | **CEN**  | 计数器使能（0=停止，1=启动）                                           |
| 4   | **DIR**  | 计数方向（0=向上计数，1=向下计数） 仅 TIM1/8 等可配                    |
| 7   | **ARPE** | Auto-Reload Preload Enable（0=ARR立即更新，1=ARR在下次更新事件时更新） |
| 5   | **OPM**  | 单脉冲模式（1=计数到 0 后自动停止）                                    |

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## 实验：SysTick/TIM 定时控制 LED 闪烁

### 软件设计（SysTick 中断版）

**项目路径**：`stm32/16_systick_led_twinkle_register`

**文件：`stm32/16_systick_led_twinkle_register/User/systick.h`**

```c
#ifndef __SYSTICK_H
#define __SYSTICK_H

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"

void Systick_Init(void);

#endif
```

**文件：`stm32/16_systick_led_twinkle_register/User/systick.c`**

```c
#include "systick.h"

void Systick_Init(void)
{
    // 1. 设置初始装载的值，1ms 产生一次中断，72000 时钟周期
    SysTick->LOAD = 72000 - 1;

    // 2. 设置时钟源
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_CLKSOURCE;

    // 3. 使能中断
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_TICKINT;

    // 4. 启动定时器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE;
}

// 全局变量作为中断计数
uint16_t count = 0;

void SysTick_Handler(void)
{
    count++;

    // 计数到 1000 次中断，即是1s，翻转LED1
    if (count == 1000)
    {
        LED_Toggle(LED1);
        count = 0;
    }
}
```

### 软件设计（SysTick HAL 库版）

**项目路径**：`stm32/17_led_twinkle_systick_hal`

SysTick HAL 版不需要额外配置 SysTick 寄存器，CubeMX 生成的 `HAL_Init()` 会自动配置 SysTick 为 1ms 中断，直接利用 `HAL_IncTick()` 和 `uwTick` 全局变量计数即可。

**文件：`stm32/17_led_twinkle_systick_hal/Core/Src/stm32f1xx_it.c`**（SysTick_Handler 部分）

```c
void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
  if (uwTick % 1000 == 0)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, LED1_Pin);
  }
}
```

**文件：`stm32/17_led_twinkle_systick_hal/Core/Src/main.c`**

```c
#include "main.h"
#include "gpio.h"

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();

  while (1)
  {
  }
}
```

**文件：`stm32/17_led_twinkle_systick_hal/Core/Src/gpio.c`**（MX_GPIO_Init 部分）

```c
void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);

  GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}
```

### 软件设计（TIM 中断版）

**项目路径**：`stm32/18_tim_led_twinkle_register`

**文件：`stm32/18_tim_led_twinkle_register/Hardware/TIM/tim6.h`**

```c
#ifndef __TIM6_H
#define __TIM6_H

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"

void TIM6_Init(void);

#endif
```

**文件：`stm32/18_tim_led_twinkle_register/Hardware/TIM/tim6.c`**

```c
#include "tim6.h"

void TIM6_Init(void)
{
    // 1. 使能定时器
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN;

    // 2. 设置预分频值 7199，表示7200分频得到10000Hz（100us）
    TIM6->PSC = 7199;

    // 3. 设置自动装载值 99，表示 100 次计数得到 1s
    TIM6->ARR = 9999;

    // 4. 打开更新中断使能
    TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE;

    // 5. NVIC配置
    NVIC_SetPriorityGrouping(3);
    NVIC_SetPriority(TIM6_IRQn, 2);
    NVIC_EnableIRQ(TIM6_IRQn);

    // 6. 使能计数器
    TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

// 中断服务函数
void TIM6_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 每1s翻转一次LED2
    LED_Toggle(LED2);
}
```

**文件：`stm32/18_tim_led_twinkle_register/User/main.c`**

```c
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "tim6.h"

int main(void)
{
	// 初始化
	USART_Init();
	LED_Init();
	TIM6_Init();

	printf("Hello world!\n");

	while (1)
	{
	}
}
```

### 软件设计（TIM HAL 库版）

**项目路径**：`stm32/19_led_twinkle_tim_hal`

**文件：`stm32/19_led_twinkle_tim_hal/Core/Src/tim.c`**（MX_TIM6_Init）

```c
TIM_HandleTypeDef htim6;

void MX_TIM6_Init(void)
{
  htim6.Instance = TIM6;
  htim6.Init.Prescaler = 7199;
  htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim6.Init.Period = 9999;
  htim6.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim6) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{
  if(tim_baseHandle->Instance==TIM6)
  {
    __HAL_RCC_TIM6_CLK_ENABLE();
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_IRQn);
  }
}
```

**文件：`stm32/19_led_twinkle_tim_hal/Core/Src/stm32f1xx_it.c`**（中断和回调）

```c
// TIM6 中断入口
void TIM6_IRQHandler(void)
{
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim6);
}

// 用户回调
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim->Instance == TIM6)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, LED2_Pin);
  }
}
```

**文件：`stm32/19_led_twinkle_tim_hal/Core/Src/main.c`**

```c
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM6_Init();
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);

  while (1)
  {
  }
}
```

---

## HAL 库版定时器

HAL 库使用 `TIM_HandleTypeDef` 管理定时器，CubeMX 生成初始化代码后通过宏或 API 控制。

```c
// CubeMX 生成: tim.c 中的 MX_TIMx_Init()
TIM_HandleTypeDef htim6;

void MX_TIM6_Init(void)
{
    htim6.Instance = TIM6;
    htim6.Init.Prescaler = 7199;          // PSC
    htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim6.Init.Period = 9999;             // ARR → (PSC+1)*(ARR+1)/72M = 7200*10000/72M = 1s
    htim6.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim6);
}

// HAL 库启动定时器中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);
// 不使用中断: HAL_TIM_Base_Start(&htim6);

// HAL 库定时器中断回调（用户重写此函数）
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM6)
    {
        static uint16_t tick = 0;
        if (++tick >= 1000) { HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); tick = 0; }
    }
}
```

## SysTick vs TIM 对比

| 对比项     | SysTick                   | TIM 通用定时器            |
| ---------- | ------------------------- | ------------------------- |
| **属于**   | Cortex-M3 内核            | 芯片厂家外设              |
| **位数**   | 24 位                     | 16 位                     |
| **预分频** | 固定 AHB 或 AHB/8         | 可编程 PSC (0~65535)      |
| **多通道** | 无                        | 4 通道（捕获/比较/PWM）   |
| **中断**   | 仅更新中断                | 更新 + 多通道捕获比较中断 |
| **精度**   | 一般                      | 高                        |
| **用途**   | 时基、裸机延时、RTOS 心跳 | PWM、捕获、精确计时       |
| **数量**   | 1 个（全芯片唯一）        | 7 个（多定时器可并行）    |

---

## 核心速查表

| 操作       | SysTick                 | TIM 通用定时器       |
| ---------- | ----------------------- | -------------------- |
| 开启时钟   | 无需开启（内核自带）    | `RCC->APB1ENR        | = TIMxEN` |
| 配置预分频 | 无（AHB 或 AHB/8 固定） | `TIMx->PSC = value`  |
| 配置重装载 | `SysTick->LOAD = value` | `TIMx->ARR = value`  |
| 计数方向   | 只减                    | 可增可减             |
| 使能中断   | `CTRL                   | = TICKINT`           | `DIER     | = UIE`+`NVIC_EnableIRQ()` |
| 启动       | `CTRL                   | = ENABLE`            | `CR1      | = CEN`                    |
| 停止       | `CTRL &= ~ENABLE`       | `CR1 &= ~CEN`        |
| 清中断标志 | 自动（读 CTRL）         | `SR &= ~UIF`（写 0） |
| 当前计数值 | 读 `VAL`                | 读 `CNT`             |

## 常见问题与避坑

1. **SysTick 中断不触发** → 检查 CTRL.TICKINT 是否置 1、NVIC 优先级配置（SysTick 属于异常，优先级在 SHPR3 寄存器）
2. **TIM 定时时间不对** → 检查 APB1 分频系数：如果 APB1 预分频 ≠1，则 TIM 时钟 = APB1×2（不要直接按 APB1 频率算 CK_PSC）
3. **中断只进一次** → ISR 中忘了清除 SR.UIF 标志（SR 是写 0 清除）
4. **修改 ARR 后定时时间不变** → CR1.ARPE=0（ARR 立即更新）或 ARPE=1（等待下次更新事件）
5. **TIM 与 SysTick 中断冲突** → 注意优先级配置，SysTick 常用最低优先级
6. **Delay_us 最大延时限制** → LOAD 最大 0xFFFFFF（16,777,215），72MHz 下单次最大 ≈ 233ms。要更长时间需循环累积