系統定時器SysTick

在LPC824內部有一個特殊的定時器——系統定時器（SysTick），它位於Cortex-M0+內核里面，是ARM內核的一部分，主要用來給操作系統提供時間片輪轉的定時，一般固定為10ms的定時，所以中文也稱它為“嘀嗒”定時器（也稱“心跳”定時器）。在不跑操作系統時，可以把它當作普通定時器來用，一般用來進行程序延時。在前面的第一個演示示例中就用到過，下面就來討論一下如何運用SysTick來提供延時。
系統定時器也位於“私有外設總線”（Private peripheral bus）內，其地址為0xE000E010~0xE000E0FF。下面先來看一下SysTick的內部結構，如下圖所示。

 

從上圖中可以看出，SysTick定時器的位長度是24位，即最長的計數次數為16777216次，且計數為倒數計數形式，遞減到0時產生中斷請求。計數的脈沖可直接取系統時鍾，也可取半系統時鍾。下表給出了和SysTick相關的寄存器。

上表中，SYST_CSR是系統定時器的控制寄存器，負責SysTick的啟動、中斷使能、輸入時鍾選擇、溢出標志讀取等操作；SYST_RVR是系統定時器的初始值重載寄存器，負責SysTick的24位初值載入；SYST_CVR是系統定時器的當前值寄存器，負責獲取SysTick的24位當前計數值，當對該寄存器進行寫操作時，該寄存器的數值將會被清零；SYST_CALIB是系統定時器的校准值寄存器，負責SysTick的校准。
下面給出的是上表中控制寄存器SYST_CSR的全部位結構，其字節地址為0xE000E010。

（1）第0位（ENABLE）是使能SysTick位，置1啟動計數，置0關閉計數。
（2）第1位（TICKINT）是SysTick的中斷使能位，置1使能中斷，置0禁止中斷。
（3）第2位（CLKSOURCE）是輸入時鍾的選擇位，置1時選擇系統時鍾做為計數脈沖，置0時選擇半系統時鍾做為計數脈沖的參考時鍾。
（4）第3到15位為保留位，不能對它們寫1。
（5）第16位（COUNTFLAG）是溢出標志位，當計數的值遞減到0時，該位被置1，在讀取該值后自動清零。
（6）第17到31位為保留位，不能對它們寫1。

SYST_RVR是系統定時器的初始值重載寄存器，負責SysTick的24位初值載入。下表給出了它的全部位結構，其字節地址為0xE000E014。

（1）第0到23位（RELOAD）為重載的初值，即當計數器計數到0后重載到計數器中的值，一共24位。
（2）第24到31位為保留位，不能對它們寫1。
SYST_CVR是系統定時器的當前值寄存器，負責獲取SysTick的24位當前計數值，當對該寄存器進行寫操作時，該寄存器的數值將會被清零。下表給出了它的全部位結構，其字節地址為0xE000E018。

（1）第0到23位（CURRENT）為SysTick的當前值，一共24位。
（2）第24到31位為保留位，不能對它們寫1。
SYST_CALIB是系統定時器的校准值寄存器，負責SysTick的校准。下表給出了它的全部位結構，其字節地址為0xE000E01C。

 

（1）第31位（NOREF）指示處理器是否有基准時鍾，由芯片廠家出廠時決定。該位讀出值為1，指明無獨立的基准時鍾。
（2）第30位（SKEW）指示TENMS值是否精確。由於TENMS不可知，因此10ms不精確計時的校准值不能確定，這會影響SysTick作為軟件實時時鍾的適用性。該位讀出值為1，指明未提供TENMS值。
（3）第24到29位為保留位。
（4）第0到23位（TENMS）在發生系統時鍾扭曲錯誤時，在10ms時序下的校正值。該位讀出值為0，指明校准值未知。

下面給出系統時鍾SysTick的結構體定義。
typedef struct
{
  __IOM uint32_t CTRL;
  __IOM uint32_t LOAD;
  __IOM uint32_t VAL;
  __IM    uint32_t CALIB;
} SysTick_Type;

注意，在上述定義中，結構體成員CTRL對應SYST_CSR寄存器，LOAD對應SYST_RVR寄存器，VAL對應SYST_CVR寄存器，CALIB對應SYST_CALIB寄存器。結構體中並沒有全部采用SysTick中的寄存器名稱。

SysTick定時器組的基址為0xE000E000，所以要將基址指針強制轉換為上述結構體，還要加上下面的定義。
#define SCS_BASE            (0xE000E000UL)
#define SysTick_BASE        (SCS_BASE +  0x0010UL)
#define SysTick             ((SysTick_Type   *)     SysTick_BASE  )
對於系統定時器SysTick產生的中斷，也有特定的入口函數，形式如下所示。
 void SysTick_Handler(void)
{
       系統定時中斷服務程序部分
}

由上述可見，其實系統定時器本身就是一個普通的定時器，在實際應用時可按以下順序進行操作。
（1）給SYST_RVR寄存器寫入定時器的初始值。
（2）寫SYST_CVR寄存器對計數值進行清零。
（3）設置SYST_CSR寄存器選擇相應的時鍾源，啟動定時並使能中斷。
SysTick定時的時長由系統時鍾頻率、系統時鍾選擇和載入的初始值共同決定。假設系統時鍾為24MHz，默認情況下SysTick的CLKSOURCE值為0，即選擇半系統時鍾頻率。這樣，輸入給定時器計數的時鍾就是24÷2＝12MHz，計數周期為1/（12MHz）＝1/12us，則計12次就是1us的定時，但實際上SysTick采用的是倒數計數方式，即從最大值依次遞減計數直到0產生溢出信號。所以12次計數實際上是0～11次，即最大值要減1，即12－1＝11。同時要注意，由於計數位寬是24位，所以最大計數值不能超過2的24次方（即16777216），由此，可得出微秒級的初始值計算公式，如下：
LOAD=（（12*us)-1)，其中us取值范圍1~1398000
同理可得出毫秒級的初始值計算公式：
LOAD=（（12000*ms）-1），其中ms取值范圍1~1398
上升到一般情況，定時初始值可用下面的公式來計算：

上式中，系統時鍾SysClk的單位是MHz，CLKSOURCE的值是0或1，得到的是微秒級別的定時，要注意LOAD的值不能大於16777216。

下面來看一個使用SysClk實現的毫秒級延時函數，代碼如下：
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    SysTick->LOAD = (((12000)*ms)-1);         //載入初始值
    SysTick->VAL = 0;                                   //寫當前值寄存器使其清零
    SysTick->CTRL |= (1<<0);                        //啟動定時器，選擇半系統時鍾
    while(!(SysTick->CTRL & 0x10000));        //循環查詢，等待定時時間到
    SysTick->CTRL &= ~(1<<0);                    //關閉定時器
}
在程序中，通過“while(!(SysTick ->CTRL & 0x10000));”這句來等待定時器溢出，其實就是循環查詢控制寄存器SYST_CSR中的COUNTFLAG位（第16位）是否被置1，若為0則循環等待直到1為止。注意，本函數延時的最大時長為1398ms，即傳遞給它的參數不能超過1398，否則不能實現延時功能。

下面再來看一個流水燈的例子，要求實現一個8位的流水燈，時間間隔為100ms。電路延用第一個演示示例中的電路原理圖，參考代碼如下：

#include <LPC82x.h>

//************************端口初始化***********************************
void Port_init(void)
{
LPC_GPIO_PORT->DIR0 = 0x1FFFFFFF; //設置端口為輸出方向
LPC_GPIO_PORT->PIN0 = 0x1FFFFFFF; //關閉所有LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<7); //點亮第1個LED
}
//************************定時器初始化*********************************
void SysTick_init(void)
{
SysTick->LOAD = (((12000)*100)-1);
SysTick->VAL = 0;
SysTick->CTRL |= ((1<<1)|(1<<0));
}
//***************************主函數************************************
int main(void)
{
Port_init(); //調用端口初始化
SysTick_init(); //調用定時器初始化
while(1)
{
;
}
}
//************************定時器中斷***********************************
void SysTick_Handler(void)
{
static uint8_t i=0;
switch(i++)
{
case 0:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<7); //熄滅第1個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<13); //點亮第2個LED
break;
case 1:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<13); //熄滅第2個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<16); //點亮第3個LED
break;
case 2:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<16); //熄滅第3個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<17); //點亮第4個LED
break;
case 3:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<17); //熄滅第4個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<19); //點亮第5個LED
break;
case 4:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<19); //熄滅第5個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<27); //點亮第6個LED
break;
case 5:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<27); //熄滅第6個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<28); //點亮第7個LED
break;
case 6:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<28); //熄滅第7個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<18); //點亮第8個LED
break;
case 7:
LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<18); //熄滅第8個LED
LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<7); //點亮第1個LED
i = 0; //計數清零
break;
}
}

在上述程序中，由於8個LED並沒有接到LPC824相鄰的引腳，因此使用了針對引腳的位操作方式來實現流水燈效果。把程序編譯后下載到LPC824中，給系統上電，可看到接到端口上的8個LED在閃爍流動。