完成定时器的计时功能

book/05：定时器/01.md

@@ -0,0 +1,403 @@
+[TOC]
+
+# 1. 定时器概述
+
+定时器的工作如同闹钟，单不只是闹钟这么简单。
+
+## 1.1. 定时器工作原理
+
+1. 计数模式：对引脚输人的外部脉冲信号进行计数（如何实现？）。
+2. 定时模式：对处理器内部的周期性时钟信号进行计数（时钟信号的频率是确定的，设置一个数，一个时钟信号递减1，当减少到0的时候，这个过程的时间就是定时的时间）。
+3. 定时时钟：在定时模式下，输人定时器的周期性时钟信号称为定时时钟（为定时器提供的稳定时钟信号）。
+4. 计数时间：在定时模式下,定时器内部的计数单元记一次数所花费的时间称为计数时间,该值为定时时钟频率的倒数。
+
+根据定时时钟和计数时间的定义,我们可以得到定时器的定时时间计算公式:
+
+定时时间=计数值x计数时间
+
+定时时间=计数值/定时时钟频率
+
+## 1.2. STM32定时器介绍
+
+![image-20240917190453681](./img/image-20240917190453681.png)
+
+专用定时器（略）：
+
+1. 开门狗（什么是看门狗？有什么用？）；
+2. 实时时钟：就是我们所说的时间和日期；
+3. 低功耗定时器：低功耗模式（如休眠）下任然工作，用于休眠中唤醒的定时器。
+
+常规定时器：
+
+1. 基本定时器：几乎没有任何对外的输入/输出通道，常用作时间基准(时基)，实现基本的定时功能。
+2. 通用定时器：具备多路独立的捕获/比较通道，可以完成定时/计数、输入捕获、输出比较等功能还可以连接其他的传感器接口，如编码器和霍尔传感器。
+3. 高级定时器：高级定时器的功能最为强大，除了具备通用定时器的功能外，还增加了重复计数器带死区控制的互补信号输出等功能，可用于电机控制等领域。
+
+[视频-时钟树](https://www.bilibili.com/video/BV1ph4y1e7Ey/?spm_id_from=333.788&vd_source=3c8e333d6657680a469ddf0238f01d6a)
+
+![image-20240922094517185](./img/image-20240922094517185.png)
+
+总线结构（中文手册25页）
+
+![image-20240917193958697](./img/image-20240917193958697.png)
+
+[视频-定时器](https://www.bilibili.com/video/BV11u4y1A7gS/?spm_id_from=333.788&vd_source=3c8e333d6657680a469ddf0238f01d6a)
+
+无论哪一种定时器,最基本的功能都是定时和计数，在这两个功能的基础上又衍生出其他的功能。在实际的工程应用中，最常用的定时器功能有以下三种：（P205）
+① 定时/计数功能：用于产生时间基准以及测量外部脉冲的个数。
+②输出比较功能：包括 PWM 输出、电平翻转、单脉冲输出以及强制输出等功能。
+③ 输入捕获功能：用于测量输人信号的脉冲宽度。
+
+# 2. HAL库外设模块设计方法
+
+## 2.1. 外设句柄设计（略p205）
+
+本质上是用一个结构体来描述一个外设（定时器、串口、I2C等寄存器等）。
+
+![image-20240922194116122](./img/image-20240922194116122.png)
+
+## 2.2. 外设编程模型
+
+HAL库根据微控制器和外设的数据传输方式，设计了轮询（一般在主程序中去读取外设的状态，从而进行相应的处理）、中断（通过中断服务进行外设状态变化的函数回调）和 DMA（类似中断，不过关联了DMA的功能） 三种编程模型，用于外设的数据传输。
+以定时器的定时功能为例，三种编程模型下的接口函数分别是:
+
+![image-20240922194440003](./img/image-20240922194440003.png)
+
+> 在下面的例子中，我们将会使用到中断方式启用外设。DMA方式将在下一章，串口中进行讲解。
+
+## 2.3. 外设通用接口函数设计（p208）
+
+1. 初始化函数；
+2. I/O操作函数；
+3. 控制函数；
+4. 状态函数；
+
+# 3. 定时/计数功能
+
+## 3.1. 时钟源
+
+时钟源主要有四种（p209），我们目前主要介绍内部时钟源（CK_INT）。注意，这里所说的内部时钟源是统称，表示总线上的是时钟，不是指MCU提供时钟的时钟源。为MCU提供时钟信号的也分为内部和外部，但最终都会形成总线上的时钟信号（AHB）。
+
+通过设置相关的寄存器，选择对应的时钟源后，该时钟源将作为时基单元的预分频时钟CK_PSC送人时基单元。时钟源选择的示意图如图8-3所示。
+
+![image-20240922105450832](./img/image-20240922105450832.png)
+
+
+
+## 3.2. 时基单元
+
+时基单元是定时器的核心控制单元，负责时钟源的分频、计数和溢出重载等基本功能。它主要由三个模块组成:预分频模块、计数模块和自动重载模块。时基单元的功能框图如图 8-4所示。
+
+![image-20240922105559848](./img/image-20240922105559848.png)
+
+### 3.2.1. 预分频模块
+
+预分频模块的工作原理如下:定时器启动后，预分频计数器的初值为0。预分频时钟CK_PSC每输入一个脉冲，预分频计数器的计数值就自动加一。当计数值等于预分频寄存器中存放的预分频系数PSC时，计数值清零，并开始下一轮计数。
+
+![image-20240922105932899](./img/image-20240922105932899.png)
+
+预分频时钟 CK_PSC 经过预分频模块后，得到计数时钟CK_CNT，它的计算公式如下：
+
+![image-20240922140840757](./img/image-20240922140840757.png)
+
+注意：0表示不分频，1表示2分频，因此需要PSC+1，
+
+### 3.2.2. 计数模块
+
+计数模块由核心计数器和计数器寄存器TIMx_CNT组成：核心计数器用来对预分频模块输出的计数时钟 CK_CNT进行二次计数。计数时钟CK_CNT每输入一个脉冲，核心计数器的计数值就自动加一或减一(根据用户设置的不同计数模式来决定是加一还是减一)。计数器寄存器则用来存放核心计数器运行时的计数值,便于用户读取。
+
+### 3.2.3. 自动重载模块
+
+自动重载模块由自动重载寄存器TIMx_ARR构成，用来设置计数器的计数终值或计数初值,决定计数脉冲的多少(计数模式)或定时周期(定时模式)的长短。我们将TMx_ARR寄存器的内容记为自动重载值ARR。当定时器设置为递增计数模式时，ARR作为计数器的计数终值，表示记到ARR时发生溢出。当定时器设置为递减计数模式时，ARR作为计数器的计数初值，表示从ARR开始向下计数。
+
+### 3.2.4. 计数模式
+
+定时器的计数模块支持三种计数模式：递增计数、递减计数和中心对齐计数，并产生溢出事件，作为定时器的更新中断(定时中断)。
+
+1. 递增计数：计数器从0开始向上计数，当计数值等于ARR时，产生计数器上溢事件，并从0开始新一轮的计数周期。
+
+2. 递减计数：计数器从ARR开始向下计数，当计数值等于0时，产生计数器下溢事件，并从ARR开始新一轮的计数周期。
+
+3. 中心对齐计数(递增/递减计数)：计数器从0开始向上计数，当计数值等于ARR-1时，产生计数器上溢事件；然后从ARR 开始向下计数，当计数值等于1时，产生计数器下溢事件。之后再从0开始新一轮的计数周期。
+
+   
+
+三种计数模式的计数过程如图 8-6所示。
+
+![image-20240922110842727](./img/image-20240922110842727.png)
+
+> 预装载功能和影子寄存器（p212）：
+
+### 3.2.5. 定时时间计算公式
+
+当定时器工作于定时模式时，预分频时钟 CK_PSC 等于定时时钟 TIMx_CLK。定时时间由 TIMx_CLK 的频率、预分频系数 PSC 和自动重载值 ARR 三者决定。
+
+假设PSC=1，ARR=36，采用递增计数模式，计数器寄存器的初值为0。定时器的时序如图 8-7 所示。
+
+![image-20240922111151540](./img/image-20240922111151540.png)
+
+预分频时钟 CK_PSC经过分频后，得到计数时钟CK_CNT,送入计数器。计数器的计数时间为1/C_KCNT，代入式(8-3),可以得到计数时间为(PSC+1)/CK_PSC。由于实际的计数值为 ARR+1，将计数值和计数时间代入式(8-1)，可以得到定时时间的计算公式:
+
+![image-20240922111416244](./img/image-20240922111416244.png)
+
+![image-20240922111452751](./img/image-20240922111452751.png)
+
+## 3.3. 外部脉冲计数（p214略）
+
+对外部的脉冲信号进行计数，例如通过传感器统计生产线上物料个数。这是外部传感器在有物料通过时可以产生一个脉冲，输入到MCU，使用定时器的计数模式进行统计。
+
+定时器的计数模式在硬件上有极性选择、分频、滤波等电路，可以实现较高频率的脉冲计数，同时可以对输入波形进行滤波，减少干扰的影响。
+
+> 其实，如果对低频脉冲的统计，可以使用IO的外部中断即可（每个中断对全局变量进行累加）；但是IO中断并不提供分频、滤波等功能，因此不适合高频率的脉冲，抗干扰能力也较弱。
+
+![image-20240922195130424](./img/image-20240922195130424.png)
+
+> 定时器的ETR引脚和书上的不一致，请参考芯片手册。
+
+## 3.4. 定时/计数功能的数据类型（略：p215）
+
+在 stm32f1xx_hal_tim.h 的大约 46 行：
+
+```c
+typedef struct
+{
+  uint32_t Prescaler;         /*!< Specifies the prescaler value used to divide the TIM clock.
+                                   This parameter can be a number between Min_Data = 0x0000 and Max_Data = 0xFFFF */
+
+  uint32_t CounterMode;       /*!< Specifies the counter mode.
+                                   This parameter can be a value of @ref TIM_Counter_Mode */
+
+  uint32_t Period;            /*!< Specifies the period value to be loaded into the active
+                                   Auto-Reload Register at the next update event.
+                                   This parameter can be a number between Min_Data = 0x0000 and Max_Data = 0xFFFF.  */
+
+  uint32_t ClockDivision;     /*!< Specifies the clock division.
+                                   This parameter can be a value of @ref TIM_ClockDivision */
+
+  uint32_t RepetitionCounter;  /*!< Specifies the repetition counter value. Each time the RCR downcounter
+                                    reaches zero, an update event is generated and counting restarts
+                                    from the RCR value (N).
+                                    This means in PWM mode that (N+1) corresponds to:
+                                        - the number of PWM periods in edge-aligned mode
+                                        - the number of half PWM period in center-aligned mode
+                                     GP timers: this parameter must be a number between Min_Data = 0x00 and
+                                     Max_Data = 0xFF.
+                                     Advanced timers: this parameter must be a number between Min_Data = 0x0000 and
+                                     Max_Data = 0xFFFF. */
+
+  uint32_t AutoReloadPreload;  /*!< Specifies the auto-reload preload.
+                                   This parameter can be a value of @ref TIM_AutoReloadPreload */
+} TIM_Base_InitTypeDef;
+```
+
+![image-20240922201006253](./img/image-20240922201006253.png)
+
+ClockDivision 用于计数和输入捕获的滤波（略）。
+
+![image-20240922201054848](./img/image-20240922201054848.png)
+
+![image-20240922201213498](./img/image-20240922201213498.png)
+
+## 3.5. 定时/计数功的接口函数（p217）
+
+### 3.5.1. 时基单元初始化函数(HAL_TIM_Base_Init)
+
+该函数用于时基单元的初始化,将用户设定的配置参数写人对应的寄存器,具体描述如表 8-7 所示。
+
+![image-20240922201428110](./img/image-20240922201428110.png)
+
+### 3.5.2. 定时器轮询方式启动函数(HAL_TIM_Base_Start)
+
+该函数用于在轮询方式下启动定时器运行,具体描述如表 8-8所示。
+
+![image-20240922201535346](./img/image-20240922201535346.png)
+
+### 3.5.3. 定时器中断方式启动函数(HAL_TIM_Base_Start_IT)
+
+该函数用于在中断方式下启动定时器运行,具体描述如表8-9所示。
+
+![image-20240922201635738](./img/image-20240922201635738.png)
+
+### 3.5.4. 定时器中断通用处理函数(HAL_TIM_IROHandler)
+
+该函数是所有定时器中断发生后的通用处理程序。任何一个定时器的相关中断(如更新中断或捕获中断)发生后，都会通过中断向量表中的定时器中断服务程序TMxIROHandler()(x表示定时器编号1~11)调用该函数。在函数内部会进行中断类型的判断，并清除对应的中断标志，然后再根据不同的中断类型，调用不同的回调函数来完成具体的中断处理任务。具体描述如表 8-10所示。
+
+![image-20240922201819520](./img/image-20240922201819520.png)
+
+### 3.5.5. 定时器更新中断回调函数(HAL_TIM_PeriodElapsedCallback)
+
+该函数用于处理发生更新中断后的具体任务。任何一个定时器发生更新中断后，都会调用更新中断回调函数。因此,在函数内部需要判断是哪一个定时器产生的本次更新中断，然后再执行具体的中断处理任务。具体描述如表8-11所示。
+
+![image-20240922201943442](./img/image-20240922201943442.png)
+
+> 注意：这个函数有缺省的实现，是用weak标识的，因此一般情况下需要重新定义该函数来完成用户逻辑的处理。
+
+### 3.5.6. 定时器中断标志清除函数(__HAL_TIM_CLEAR_IT)
+
+该函数用于清除定时器的各类中断标志，采用带参数的宏实现(宏函数)，与普通函数相比，宏函数省去了函数调用的过程，执行效率较高。具体描述如表 8-12所示。
+
+![image-20240922202146788](./img/image-20240922202146788.png)
+
+### 3.5.7. 定时器计数值读取函数(__HAL_TIM_GET_COUNTER)
+
+该函数用于读取定时器的计数值，采用带参数的宏实现(宏函数)，具体描述如表 8-13
+所示。
+
+![image-20240922202324216](./img/image-20240922202324216.png)
+
+## 3.6. 基础任务：定时闪烁指示灯
+
+### 3.6.1. 实现过程
+
+使用绿色LED（PA7）进行显示，定时器4以中断方式运行，每隔1秒钟切换一次电平。
+
+1. 以前面讲的方式建立一个项目，名称是 TimerLED；
+2. 设置PA7为输出模式，并设置标签为LED；
+3. 使用TIM4作为定时器。检查TIM4挂接的总线（[STM32定时器介绍](#STM32定时器介绍)）,知道是挂接在APB1上；
+4. 检查时钟配置：
+
+![image-20240922185613665](./img/image-20240922185613665.png)
+
+知道APB1的定时器时钟是8M。注意：定时器的中断时间是需要按照定时器所在总线的时钟进行设置的。
+
+5. 配置时钟：
+
+![image-20240922191931460](./img/image-20240922191931460.png)
+
+勾选2位置，以便使用内部时钟（指APB总线时钟，不是外部时钟晶体和内部RC时钟源）；在3位置设置PSC为7999；在4位置设置ARR为999；根据8-4公式，可以知道此时的时钟计时周期为1秒；
+
+6. 开启TIM4的全局中断，并保存生成代码框架。
+
+![image-20240922192310094](./img/image-20240922192310094.png)
+
+7. 在 main.c 的 /* USER CODE BEGIN 2 */ 位置插入下列代码：
+
+```c
+	/* USER CODE BEGIN 2 */
+	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
+	/* USER CODE END 2 */
+```
+
+8. 在 main.c 文件的 /* USER CODE BEGIN 0 */ 位置插入定时中断回调函数：
+
+```c
+/* USER CODE BEGIN 0 */
+void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
+	if (htim->Instance == TIM4)
+		HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
+}
+/* USER CODE END 0 */
+```
+
+好了，下载到开发板后，绿色LED应该亮一秒，灭一秒，一直循环。
+
+### 3.6.2. 代码分析
+
+main.c 的 43 行定义了外设TIM4的句柄：
+
+```c
+TIM_HandleTypeDef htim4;
+```
+
+这个书上没有讲，其实就是针对 TIM4 这个外设的结构体，包括配置信息和相关的操作函数指针（有点像Java中的类定义），有兴趣可以看看。 
+
+main.c 的 147 行左右是定时器的初始化：
+
+```c
+static void MX_TIM4_Init(void) {
+
+	/* USER CODE BEGIN TIM4_Init 0 */
+
+	/* USER CODE END TIM4_Init 0 */
+
+	TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = { 0 };
+	TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = { 0 };
+
+	/* USER CODE BEGIN TIM4_Init 1 */
+
+	/* USER CODE END TIM4_Init 1 */
+	htim4.Instance = TIM4;
+	htim4.Init.Prescaler = 7999;
+	htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
+	htim4.Init.Period = 999;
+	htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
+	htim4.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
+	if (HAL_TIM_Base_Init(&htim4) != HAL_OK) {
+		Error_Handler();
+	}
+	sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
+	if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim4, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) {
+		Error_Handler();
+	}
+	sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
+	sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
+	if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim4, &sMasterConfig)
+			!= HAL_OK) {
+		Error_Handler();
+	}
+	/* USER CODE BEGIN TIM4_Init 2 */
+
+	/* USER CODE END TIM4_Init 2 */
+
+}
+```
+
+ /* USER CODE BEGIN 2 */ 位置的代码：
+
+```
+HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
+```
+
+表示以中断方式启动TIM4；
+
+stm32f1xx_it.c 的大约 204 行：
+
+```c
+void TIM4_IRQHandler(void)
+{
+  /* USER CODE BEGIN TIM4_IRQn 0 */
+
+  /* USER CODE END TIM4_IRQn 0 */
+  HAL_TIM_IRQHandler(&htim4);
+  /* USER CODE BEGIN TIM4_IRQn 1 */
+
+  /* USER CODE END TIM4_IRQn 1 */
+}
+```
+
+此代码是自动生成的，函数  TIM4_IRQHandler(void) 是 TIM4 溢出中断调用的函数，该函数调用了 HAL_TIM_IRQHandler()，这个函数，并传入了 htim4 这个结构体的指针，标识TIM4中断；接着看 stm32f1xx_hal_tim.c 的大约 3882 行开始的 HAL_TIM_IRQHandler() 这个函数；这个函数很复杂，在大约3959行调用了 HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim); 这个函数。因此该中断的调用过程是：
+
+TIM4_IRQHandler->HAL_TIM_IRQHandler->HAL_TIM_PeriodElapsedCallback
+
+HAL_TIM_PeriodElapsedCallback 是我们在主函数中定义的用户逻辑函数。
+
+## 3.7. 进阶任务：外部脉冲计数（略）
+
+
+
+# 4. PWM输出功能
+
+
+
+## 4.1. 捕获/比较通道
+
+## 4.2. PWM实现原理
+
+## 4.3. PWM输出功能的数据类型
+
+## 4.4. PWM输出功能的接口函数
+
+## 4.5. 基础任务：输出PWM信号
+
+## 4.6. 进阶任务：实现呼吸灯
+
+# 5. 输入捕获功能
+
+## 5.1. 输入捕获功能概述
+
+## 5.2. 输入捕获功能的数据类型
+
+## 5.3. 输入捕获功能的接口函数
+
+## 5.4. 挑战任务：信号测量
+