4. 定时器：从SysTick到输入捕获
定时器这东西，可以说是嵌入式开发的基石。我做了这么多年BSP，几乎每个项目都离不开它。从简单的延时，到复杂的电机控制，定时器无处不在。今天咱们就把这四种定时器玩法——SysTick、通用定时器、PWM输出、输入捕获——一次性讲透。
核心观点：定时器不只是用来计时的。它是CPU的“硬件协处理器”，能帮你完成精确的时间控制、波形生成和信号测量。用好定时器，你的系统实时性会上一个台阶。
4.1 SysTick定时器：系统的心跳
SysTick是Cortex-M内核自带的24位递减计数器。说白了，它就是给操作系统提供“心跳”的。就算你不用RTOS，它也是个非常精准的延时工具。
我个人习惯，在裸机开发时也把SysTick用起来。为什么？因为它不占用通用定时器资源，而且所有Cortex-M芯片都有，代码移植性极好。
4.1.1 SysTick的工作原理
SysTick从你设定的重装载值开始，每个时钟周期减1。减到0时，会触发一个中断（如果你使能了的话），然后自动重新装载，继续下一轮计数。
// SysTick配置示例：产生1ms中断
void SysTick_Init(uint32_t systemClockHz) {
// 重装载值 = 系统时钟频率 / 1000 - 1
// 假设系统时钟为72MHz
SysTick->LOAD = 72000 - 1; // 1ms中断
SysTick->VAL = 0; // 清空计数器
SysTick->CTRL = 0x07; // 使能、使能中断、使用系统时钟
}小技巧：SysTick的LOAD寄存器是24位的，最大值是0xFFFFFF。如果你的系统时钟很高，又想产生较长的定时周期，记得先算一下会不会溢出。我曾经在168MHz的芯片上直接写了个1秒的装载值，结果发现计数器根本装不下——嗯，后来改用分频解决了。
4.1.2 基于SysTick的延时实现
有了1ms的中断，我们就可以实现一个毫秒级的延时函数。这里有个关键点：延时函数里要“忙等”，但中断服务函数里只做计数。
volatile uint32_t sysTickUptime = 0;
void SysTick_Handler(void) {
sysTickUptime++; // 每1ms加1
}
void delay_ms(uint32_t ms) {
uint32_t start = sysTickUptime;
while ((sysTickUptime - start) < ms) {
// 等待
}
}你想想看，这个实现有什么好处？它不会阻塞中断。延时期间，其他中断照常响应。这就是“基于系统滴答的延时”比纯循环延时高明的地方。
4.2 通用定时器：多功能的时间管理
通用定时器比SysTick复杂得多。它通常有多个通道，支持向上计数、向下计数、中央对齐模式，还能产生PWM、捕获输入信号。每个MCU厂商的实现略有差异，但核心逻辑是相通的。
4.2.1 定时器的核心寄存器
| 寄存器 | 作用 | 我常用的配置 |
|---|---|---|
| PSC（预分频器） | 对系统时钟分频，降低计数频率 | 通常设为 71（72MHz→1MHz） |
| ARR（自动重装载） | 计数值达到此值后溢出/更新 | 根据需要的周期计算 |
| CNT（计数器） | 当前计数值，可读可写 | 初始化时清0 |
| SR（状态寄存器） | 标志位，如更新中断标志 | 中断服务函数中清标志 |
举个例子。你想产生一个1ms的定时中断，系统时钟72MHz。先设置PSC=71，这样计数频率变成1MHz（1微秒一个计数）。再设置ARR=999，这样从0数到999正好是1000微秒，也就是1ms。
// 通用定时器初始化（以TIM2为例）
void TIM2_Init(void) {
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 使能时钟
TIM2->PSC = 71; // 72MHz / (71+1) = 1MHz
TIM2->ARR = 999; // 1MHz / (999+1) = 1kHz = 1ms
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 使能更新中断
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); // 使能NVIC中断
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器
}避坑指南：我曾经在配置定时器时，忘了使能RCC时钟。结果定时器寄存器怎么写都不动，查了整整半天。记住：外设时钟使能是第一步，没有时钟，一切都是空谈。
4.3 PWM输出：让硬件帮你干活
PWM（脉冲宽度调制）说白了就是输出一个频率固定、占空比可调的方波。你可能会问：这玩意儿有什么用？用处大了去了——调LED亮度、控制电机速度、驱动舵机角度，都靠它。
用通用定时器产生PWM，核心思路是：定时器工作在输出比较模式，当CNT的值小于某个阈值时，输出高电平；大于阈值时，输出低电平。这个阈值就是“比较值”，通常存在CCR寄存器里。
4.3.1 PWM配置步骤
- 配置GPIO为复用功能——把引脚交给定时器控制
- 设置定时器时基——PSC和ARR决定PWM频率
- 配置输出比较通道——选择PWM模式1或模式2
- 设置占空比——写CCR寄存器
- 使能输出和定时器——开始输出波形
// PWM输出配置（TIM2通道1，PA0）
void PWM_Init(void) {
// 1. GPIO配置
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_1; // 复用功能
GPIOA->AFR[0] |= 1 << 0; // AF1 = TIM2_CH1
// 2. 定时器时基
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
TIM2->PSC = 71; // 1MHz计数频率
TIM2->ARR = 999; // PWM频率 = 1MHz/1000 = 1kHz
// 3. 输出比较配置
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE; // 预装载使能
// 4. 设置占空比（50%）
TIM2->CCR1 = 500;
// 5. 使能
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道输出
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器
}
// 动态修改占空比
void PWM_SetDuty(uint16_t duty) {
TIM2->CCR1 = duty; // 范围：0~ARR
}经验之谈：修改占空比时，最好在定时器更新事件之后写CCR，否则可能出现一个完整的错误周期。我习惯在PWM初始化时使能预装载功能（OCxPE位），这样CCR的值会在下一个更新事件才生效，避免波形毛刺。
4.4 输入捕获：测量外部信号
输入捕获和PWM正好相反。PWM是输出波形，输入捕获是测量外部波形的频率和占空比。原理很简单：当检测到指定的边沿（上升沿或下降沿）时，定时器会把当前CNT的值“捕获”到CCR寄存器里，同时触发中断。
通过两次捕获的差值，就能算出信号的周期和频率。如果再捕获一次另一个边沿，还能算出高电平宽度，进而得到占空比。
4.4.1 频率测量实现
volatile uint32_t cap1 = 0, cap2 = 0;
volatile uint8_t capDone = 0;
void TIM3_IRQHandler(void) {
if (TIM3->SR & TIM_SR_CC1IF) {
static uint8_t edgeCount = 0;
if (edgeCount == 0) {
cap1 = TIM3->CCR1; // 第一次上升沿
edgeCount = 1;
} else {
cap2 = TIM3->CCR1; // 第二次上升沿
capDone = 1;
edgeCount = 0;
}
TIM3->SR = ~TIM_SR_CC1IF; // 清标志
}
}
// 在主循环中读取结果
if (capDone) {
uint32_t period;
if (cap2 > cap1) {
period = cap2 - cap1;
} else {
period = (TIM3->ARR + 1) - cap1 + cap2; // 处理溢出
}
// 频率 = 计数频率 / period
capDone = 0;
}注意：输入捕获一定要处理计数器溢出！如果信号周期很长，CNT可能已经翻转了好几次。我遇到过这种情况：测量一个低频信号，结果算出来的频率完全不对，就是因为没考虑溢出。解决方案是开启定时器的更新中断，在中断里记录溢出的次数。
4.5 本章知识体系
下面这张图总结了四种定时器玩法的关系和应用场景。你可以把它当作一个快速参考。
4.6 避坑总结
做定时器开发这些年，我踩过的坑不少。挑几个典型的分享给你：
- 时钟源搞错：APB1和APB2的定时器时钟可能不同。APB1上的定时器通常是系统时钟的一半（如果APB1分频系数不为1）。我吃过这个亏，算出来的时间常数全不对。
- 中断优先级：定时器中断优先级设置不当，会导致其他中断响应延迟。特别是SysTick，如果优先级设得太低，系统调度会出问题。
- PWM初始状态：刚使能PWM输出时，引脚电平可能不确定。我习惯在初始化时先设置一个安全的占空比（比如0%或50%），再启动定时器。
- 输入捕获的噪声：外部信号可能有毛刺。建议开启定时器的数字滤波器功能，或者加一个简单的RC滤波电路。
定时器这部分内容，说难不难，说简单也不简单。关键是要理解它的本质——一个独立于CPU运行的硬件计数器。你配置好参数，它自己就能干活，CPU可以去做别的事。这就是嵌入式系统里“硬件加速”的思想。
嗯，这一章就到这里。代码示例都是基于STM32的，但思路通用。你换成其他芯片，寄存器名字不一样，逻辑是一样的。