STM32基礎分析——PWM配置

在使用STM32F103產生固定頻率、固定占空比的PWM波時，雖然有官方以及眾多開發板提供的例程，但是關於有點問題並沒有說的很清晰，並且《STM32F10X參考手冊》的中文翻譯可能容易造成歧義，所以一開始並沒有理解，這里就梳理一下我的理解，如果有誤解的情況，希望交流指正。

1. 遇到的問題

先直接上段配置代碼，這段代碼是產生一個20kHz固定頻率，50%固定占空比的方波信號，典型的配置過程，一般來說也不會有什么太多的疑問。但是我逐步了解背后的定時器工作邏輯的時候，就產生了一些疑問，也沒有找到合理、清晰的解答。先說明一下，只有通用定時器和高級定時器才有PWM模式，基本定時器沒有。

static void PWM_Mode_Config(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;	
    
    // 基本定時器配置
    TIM_DeInit(TIM3);
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);        	// 開啟定時器時鍾,即內部時鍾CK_INT=72M
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 49;		                    // 自動重裝載寄存器的值，累計TIM_Period+1個頻率后產生一個更新或者中斷
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;	                    // 時鍾預分頻數為
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;	        // 設置時鍾分頻系數：不分頻(這里用不到)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;     // 向上計數模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);    	            // 初始化定時器	
    TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);              	            // 清除計數器更新標志位
  
	// PWM模式配置
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;	    		// 配置為PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	// 使能輸出
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 25;			                	// 設置初始PWM脈沖寬度為25，實際上就是配置占空比(捕獲比較寄存器1，CCR1)	
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;		// 當定時器計數值小於CCR1_Val時為低電平
	TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure );	 			        // 使能通道2
  	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable );	            // 使能預裝載（使能CCR1的預裝載）	
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);			 			        // 使能自動重載寄存器ARR的預裝載

    // 開啟TIM3
  	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);                                         // 使能定時器
	TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);					    // 使能定時器中斷         				
	TIM_NVIC_Config();      
}

1.1 什么是清除標志位

TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);              	            // 清除計數器更新標志位

代碼中有這樣一條，有人會問函數TIM_ClearFlag()和函數TIM_ClearITPendingBit()有什么區別？其實重點在Flag和IT，前者是外設的狀態標志，而后者是外設的中斷標志。狀態標志就是一個外設它有自身的一些標志位（Flag），來表明它處於什么狀態，下圖就是定時器的狀態標記。中斷標志就是使能外設的中斷后，每次發生一次中斷，它會表明發生了什么樣的中斷，同樣中斷也有相應的標記。兩者分別靠函數TIM_GetFlagStatus()和函數TIM_GetITStatus()來獲取。

沒有使能中斷時，是可以讀取該外設的狀態標志的。同理，串口外設也有此區別。

1.2 模式1和模式2的區別

	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;	    		// 配置為PWM模式1

模式1

在向上計數時，一旦TIMx_CNT < TIMx_CCR1時通道1為有效電平，否則為無效電平；在向下計數時，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時通道1為無效電平（OC1REF=0），否則為有效電平（OC1REF=1）。

模式2

在向上計數時，一旦TIMx_CNT < TIMx_CCR1時通道1為無效電平，否則為有效電平；在向下計數時，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時通道1為有效電平，否則為無效電平。

實際上可以看到，模式1和模式2並無本質的區別，只是在同樣的有效電平情況下，輸出的波形電平相反而已。那么什么又是有效電平？后面有機會單獨說明。

1.3 什么是自動重裝載和預裝載寄存器？

  	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable );	         // 使能預裝載（使能CCR1的預裝載）
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);			 			     // 使能自動重載寄存器ARR的預裝載

這個問題才是我寫這篇博客的源動力，網上有很多人問，但是回答者沒能詳細說明，《STM32F10X參考手冊》中的描述也有歧義。我只能從別人回答的只言片語中摸索，然后根據自己的理解來解釋。下面就看第二節的基本知識。

2. PWM波產生的過程

《STM32F10X參考手冊》對此的描述如下：

自動裝載寄存器是預先裝載的，寫或讀自動重裝載寄存器將訪問預裝載寄存器。根據在TIMx_CR1寄存器中的自動裝載預裝載使能位(ARPE)的設置，預裝載寄存器的內容被立即或在每次的更新事件UEV時傳送到影子寄存器。當計數器達到溢出條件(向下計數時的下溢條件)並當TIMx_CR1寄存器中的UDIS位等於’0’時，產生更新事件。更新事件也可以由軟件產生。隨后會詳細描述每一種配置下更新事件的產生。

我在這個通用定時器框圖里面找不到預裝載寄存器，這就更增加疑惑了。后來翻了很多問答帖，大概明白了其中的意思，以下是我的總結以及理解。

從框圖里面看到自動重裝載寄存器（Auto Reload Register，ARR）和捕獲/比較寄存器組（Capture/Compare Register，CCR）的框下面有陰影，這就說明這兩種寄存器含有影子寄存器（Shadow Register）。影子寄存器實際上才是真正直接參與定時器工作的寄存器，具有即時性。我們配置的ARR和CCR相當於都是上層的寄存器，芯片在工作中，自動將這些上層寄存器的值傳遞到各自的影子寄存器，從而參與計數或者比較過程。

那么，預裝載寄存器在哪里呢？

在參考文獻《關於STM32影子寄存器和預裝載寄存器和TIM_ARRPreloadConfig》中發現實際上ARR和CCR（可能）在物理底層上是兩個寄存器的組合，即預裝載寄存器（Preload Register）和影子寄存器。實際上，我們在代碼層面，對ARR和CCR賦值，最終傳遞到直接參與工作的影子寄存器，中間還要經歷一個預裝載寄存器的傳遞，它在這里相當於緩存的作用。但是在手冊中並沒找到確實再物理硬件上存在預裝載寄存器的蛛絲馬跡（只查到緩存器一說），那么也可以這樣理解。所謂的預裝載寄存器實際上只是ARR和CCR在他們需要向影子寄存器傳遞值的時候的一種“功能化”的別稱，也就是說在需要傳值的時候，ARR和CCR就是各自影子寄存器的預裝載寄存器。

預裝載寄存器的概念應該是相對於影子寄存器來說的。影子寄存器是即時其作用的，而預裝載寄存器的值只有傳遞到影子寄存器才能起作用，你可以把它理解為一個緩存。就程序員的角度觀察，兩者共用一個地址，無法直接區別訪問，只能通過另外的辦法來設置對該地址操作的具體行為。

作為類比，你可以把預裝載寄存器理解為內存中的cache，數據寫入了cache，卻是不一定寫入內存的。當然你可以通過MMU設置為寫穿(write through)或寫回(write back)模式。

那么ARR和CCR各自的影子寄存器的值在什么時候更新呢？

可以立即將值傳入或者每次事件更新的時傳入，依賴於相關的控制位。

以ARR為例，控制寄存器TIMx_CR1的位7——ARPE（自動重裝載預裝載允許位 ，Auto-reload preload enable），寫“0”時，TIMx_ARR寄存器沒有緩沖；寫“1”時，TIMx_ARR寄存器被裝入緩沖器。也就是說ARPE寫1，則影子寄存器立即被更新，否則只有等到每次事件發生時，才更新，這就是TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);的含義。

void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_TIM_ALL_PERIPH(TIMx));
  assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
  if (NewState != DISABLE)
  {
    /* Set the ARR Preload Bit */
    TIMx->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;
  }
  else
  {
    /* Reset the ARR Preload Bit */
    TIMx->CR1 &= (uint16_t)~((uint16_t)TIM_CR1_ARPE);
  }
}

同理，CCR的影子寄存器也有相應操作。我選擇的是TIM3的通道2，其控制寄存器CCMR1的OC2PE位（CCMR1控制通道1和通道2），相應的操作可以對照庫函數來了解。

看到有人回復“如果不改變頻率和占空比，純粹輸出PWM波，則可以不需要使能預裝載”，那是不是意味着以下兩句代碼可以不寫？這需要試一下……

  	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable );	         // 使能預裝載（使能CCR1的預裝載）
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);			 			     // 使能自動重載寄存器ARR的預裝載

那這樣設計預裝載和影子寄存器有什么好處呢？

參考如下，我的簡單理解就是將定時器的賦值過程和工作過程獨立開。

設計preload register和shadow register的好處是，所有真正需要起作用的寄存器(shadow register)可以在同一個時間(發生更新事件時)被更新為所對應的preload register的內容，這樣可以保證多個通道的操作能夠准確地同步。如果沒有shadow register，或者preload register和shadow register是直通的，即軟件更新preload register時，同時更新了shadow register，因為軟件不可能在一個相同的時刻同時更新多個寄存器，結果造成多個通道的時序不能同步，如果再加上其它因素(例如中斷)，多個通道的時序關系有可能是不可預知的。

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天吶，終於稍微理順了，雖然不一定對，而且定時器需要死磕的細節太多，精力有限，慢慢來~~

參考文獻：

1. 《STM32F10X參考手冊》
2. 《32位基於ARM微控制器STM32F101xx與STM32F103xx 固件函數庫》
3. 《關於STM32影子寄存器和預裝載寄存器和TIM_ARRPreloadConfig》
4. 《為什么TIM_ARRPreloadConfig在我的程序中沒有作用 他到底有什么作用？》
5. 《STM32定時器預裝載寄存器的理解？》