單片機中各種周期的關(guān)系與定時器原理

　　在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。

　　時鐘周期：

　　時鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時間發(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個脈沖信號，那么發(fā)出一個脈沖的時間就是時鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統(tǒng)時鐘周期。是計算機中最基本的、最小的時間單位。

　　在8051單片機中把一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍(用P表示)，二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期(用S表示)。

　　機器周期：

　　在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期(狀態(tài)周期)組成。8051系列單片機的一個機器周期同6個S周期(狀態(tài)周期)組成。前面已說過一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍(用P表示)，二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期(用S表示)，8051單片機的機器周期由6個狀態(tài)周期組成，也就是說一個機器周期=6個狀態(tài)周期=12個時鐘周期。

　　在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機中，一般情況下，一個機器周期等于12個時鐘周期，也就是機器周期=12*時鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那么機器周期=1微秒。單片機工作時，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準(zhǔn)。

　　機器周期不僅對于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準(zhǔn)。例如一個單片機選擇了12MHZ晶振，那么當(dāng)定時器的數(shù)值加1時，實際經(jīng)過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。

　　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。在一個標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為 12-24MHz。而對于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為 1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時間大于 4 個系統(tǒng)時鐘周期。 所以在計算定時器的值時要注意這里的變化。

　　指令周期：

　　指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數(shù)也不同。對于一些簡單的的單字節(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，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復(fù)雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

　　系統(tǒng)時鐘：

　　系統(tǒng)時鐘：系統(tǒng)時鐘就是CPU指令運行的頻率，這個才是CPU真正的頻率。

　　單片機內(nèi)部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個觸發(fā)信號源，由這個信號來同步協(xié)調(diào)工作步驟，我們把這個信號稱為系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)時鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機內(nèi)部系統(tǒng)時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內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，正常情況和晶振頻率會存在一個整數(shù)倍關(guān)系。系統(tǒng)時種是整個單片機工作節(jié)奏的基準(zhǔn)，它每振蕩一次，單片機就被觸發(fā)執(zhí)行一次操作。

　　一般來說,單片機只有一個時鐘源.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器的工作原理了，在8051F310單片機中，有3個定時器，如果定時器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計時器，最大數(shù)值是65535,當(dāng)再加1時(=65536)，就會發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計1000個數(shù)， 那么定時初值就是65536-1000，結(jié)果就是64536，這個值送給TH、TL，因為是16進制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

　　再者，就是每一計數(shù)的時間是多久?一般我們?nèi)?2M晶振時，一個周期剛好是1us，計數(shù)1000個就是1ms，這是因為標(biāo)準(zhǔn)的51單片機是12時鐘周期的(STC有6時鐘和1時鐘方式)。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，每個計數(shù)是2us，那么你要定時1ms就只要計數(shù)500個即可以。

　　定時器的初值跟定時器的工作方式，跟晶振頻率都有關(guān)系。一個機器周期Tcy=晶振頻率X12，計數(shù)次數(shù)N=定時時間t/機器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數(shù)化成十六進制就行了。這里是用定時器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。這里有一個公式：

　　TH=(65536-time/(12/ft))/256

　　其中，time就是要延時的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個式子又可以簡化成

　　TH=(65536-time*ft/12)/256

　　TL=(65536-time*ft/12)%6

　　在一本書上還看到了這樣計算定時初值的：

　　TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時初值

　　TL0=-(50235%6); ///這里使用的6M晶體，

　　這里是6M晶體，延時100ms，那么按上面講的原理，6M是每個計數(shù)為2us，100ms定時就是計數(shù)50000個。

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

　　程序中寫 TH0=-(50235/256);其實它是這樣的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(十進制的256)去減，結(jié)果是多少呢?結(jié)果就是3C。

　　以STM32F103為例，進行解析

　　STM32的TIM一般有高級定時器TIM1，(TIM8只有在互聯(lián)性產(chǎn)品有)，普通定時器TIM2，TIM3，TIM4，(TIM5，TIM6，TIM7有點設(shè)備中沒有);今天就只介紹普通定時器，因為高級定時器我還不會!每一個普通定時器都有4路通道!

　　這個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，計數(shù)周期也跟著改變了;同時預(yù)分頻設(shè)置生效時，他還會產(chǎn)生一個中斷信號，這個中斷信號不要管他，一個系統(tǒng)時鐘周期后會自動消失，跟I2C的差不多!

　　3、stm32f103zet6 定時器

　　大容量的STM32F103XX增強型系列產(chǎn)品包含最多2個高級控制定時器、4個普通定時器和2個基本定時器，以及2個看門狗定時器和1個系統(tǒng)嘀嗒定時器。

　　下表比較了高級控制定時器、普通定時器和基本定時器的功能：

　　定時器功能比較

　　1)計數(shù)器三種計數(shù)模式

　　向上計數(shù)模式：從0開始，計到arr預(yù)設(shè)值，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計時

　　向下計數(shù)模式：從arr預(yù)設(shè)值開始，計到0，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計時

　　中央對齊模式：從0開始向上計數(shù)，計到arr產(chǎn)生溢出事件，然后向下計數(shù)，計數(shù)到1以后，又產(chǎn)生溢出，然后再從0開始向上計數(shù)。(此種技術(shù)方法也可叫向上/向下計數(shù))

　　2)高級控制定時器(TIM1和TIM8)

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

　　(1)輸入捕獲

　　(2)輸出比較

　　(3)產(chǎn)生PWM(邊緣或中心對齊模式)

　　(4)單脈沖輸出

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

　　3)通用定時器(TlMx)

　　STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增強型系列產(chǎn)品中，內(nèi)置了多達(dá)4 個可同步運行的標(biāo)準(zhǔn)定時器(TIM2、TIM3、TIM4和TIM5)。每個定時器都有一個16位的自動加載遞加/遞減計數(shù)器、一個16位的預(yù)分頻器和4個獨立的通道，每個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個輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過定時器鏈接功能與高級控制定時器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。任一標(biāo)準(zhǔn)定時器都能用于產(chǎn)生：PWM輸出。每個定時器都有獨立的DMA請求機制。

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

　　4)基本定時器-TlM6和TIM7

　　這2個定時器主要是用于產(chǎn)生：DAC觸發(fā)信號，也可當(dāng)成通用的16位時基計數(shù)器。獨立看門 狗獨立的看門狗是基于一個12位的遞減計數(shù)器和一個8位的預(yù)分頻器，它由一個內(nèi)部獨立的40kHz的RC振蕩器提供時鐘; 因為這個RC振蕩器獨立于主時鐘，所以它可運行于停機和待機模式。它可以被當(dāng)成看門狗用于在發(fā)生問題時復(fù)位整個系統(tǒng)，或作為一個自由定時器為應(yīng)用程序提供超時管理。通過選項字節(jié)可以配置成是軟件或硬件啟動看門狗。在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。

　　5)窗口看門狗

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

　　6)系統(tǒng)時基定時器

　　這個定時器是專用于實時操作系統(tǒng)，也可當(dāng)成一個標(biāo)準(zhǔn)的遞減計數(shù)器。它具有下述特性：

　　(1)24位的遞減計數(shù)器

　　(2)自動重加載功能

　　(3)當(dāng)計數(shù)器為0時能產(chǎn)生一個可屏蔽系統(tǒng)中斷

　　(4)可編程時鐘源

　　7)通用定時器的時鐘來源;

　　a：內(nèi)部時鐘(CK_INT)

　　b：外部時鐘模式1：外部輸入腳(TIx)

　　c：外部時鐘模式2：外部觸發(fā)輸入(ETR)

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

　　8)通用定時期內(nèi)部時鐘的產(chǎn)生：

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

　　當(dāng)APB1的預(yù)分頻器系數(shù)為1時，這個倍頻器就不起作用了，定時器的時鐘頻率等于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，這個倍頻器起作用，定時器的時鐘頻率等于APB1時鐘頻率的兩倍。

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

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

　　所以從上述的分析可知，定時器的定時時間計算為：

　　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，是因為該定時器采用的時鐘源為72MHz，如果配置成別的時鐘源，則相應(yīng)公式也應(yīng)該改變。

　　另外TIM_ClockDivision為時鐘分割，這個簡單的講，就是定時器的數(shù)字濾波功能，設(shè)置成默認(rèn)即可。