4. 中断与NVIC

定时器是 STM32 里最常用的外设之一。说实话，我做了这么多年嵌入式，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。这一章，我们就把它彻底讲透。

4.1 基本定时器原理

基本定时器（如 TIM6、TIM7）是最简单的定时器。它只有一个功能：计数。说白了，就是一个不断累加的计数器，溢出时产生中断或事件。

它的核心结构就三部分：

• 预分频器（PSC）：对时钟源进行分频，降低计数频率
• 计数器（CNT）：实际计数的寄存器
• 自动重装载寄存器（ARR）：设定计数上限

工作流程很简单：时钟经过 PSC 分频后，驱动 CNT 递增。当 CNT 达到 ARR 的值时，计数器清零，同时产生更新事件或中断。

4.2 通用定时器与 PWM 输出

通用定时器（如 TIM2~TIM5）比基本定时器多了输入捕获、输出比较、PWM 生成等功能。PWM 输出是其中最常用的。

PWM 的核心是输出比较机制。定时器在计数过程中，会不断将 CNT 的值与捕获/比较寄存器（CCR）比较。当 CNT 小于 CCR 时，输出高电平；大于等于 CCR 时，输出低电平。这样就产生了 PWM 波形。

配置 PWM 的步骤：

1. 使能定时器时钟和 GPIO 时钟
2. 配置 GPIO 为复用推挽输出
3. 设置定时器的 PSC 和 ARR 确定频率
4. 配置输出比较通道为 PWM 模式 1 或 2
5. 设置 CCR 确定占空比
6. 使能定时器

// PWM 输出配置示例（TIM2 通道 1，PA0）
void PWM_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    
    // 2. 配置 GPIO
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_1;   // 复用功能
    GPIOA->AFR[0] |= 1 << 0;               // AF1 = TIM2_CH1
    
    // 3. 定时器基础配置
    TIM2->PSC = 71;      // 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 999;     // 1MHz / 1000 = 1kHz
    
    // 4. PWM 模式配置
    TIM2->CCMR1 |= (6 << 4);   // 通道1 PWM 模式1
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能输出
    
    // 5. 设置占空比 50%
    TIM2->CCR1 = 500;
    
    // 6. 使能定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

4.3 输入捕获测量频率

输入捕获用来测量外部信号的频率或脉宽。原理是：当检测到指定边沿（上升沿或下降沿）时，定时器会把当前 CNT 的值锁存到 CCR 寄存器，同时可以触发中断。

测量频率的常用方法有两种：

方法	原理	适用场景
周期测量法	捕获两个相邻上升沿，计算差值得到周期	低频信号（<100kHz）
频率测量法	在固定时间内统计捕获次数	高频信号（>100kHz）

周期测量法的实现步骤：

1. 配置输入捕获通道，选择上升沿触发
2. 使能捕获中断
3. 在中断中读取 CCR 值，计算与前一次捕获的差值
4. 频率 = 定时器计数频率 / 差值

// 输入捕获中断服务函数
uint32_t prev_capture = 0;
uint32_t frequency = 0;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) {
        uint32_t current = TIM2->CCR1;
        uint32_t period = current - prev_capture;
        
        // 处理溢出情况
        if (current < prev_capture) {
            period = current + (TIM2->ARR + 1) - prev_capture;
        }
        
        frequency = 1000000 / period;  // 假设计数频率为 1MHz
        prev_capture = current;
        
        TIM2->SR = ~TIM_SR_CC1IF;  // 清除标志
    }
}

4.4 编码器模式使用

编码器模式是通用定时器的一个特殊功能，专门用来读取正交编码器的信号。正交编码器输出两路相位差 90° 的方波（A 相和 B 相），定时器通过检测这两路信号的边沿来判断旋转方向和速度。

编码器模式的工作原理：

• 定时器同时监视 TI1 和 TI2 两个输入通道
• 根据两路信号的边沿组合，自动判断方向
• 计数器在每次边沿变化时递增或递减
• 方向改变时，计数方向自动反转

STM32 的编码器模式有三种：

模式	计数方式	分辨率
模式 1	只在 TI1 边沿计数	1 倍
模式 2	只在 TI2 边沿计数	1 倍
模式 3	在 TI1 和 TI2 边沿都计数	4 倍

// 编码器模式配置（TIM3，通道1=PA6，通道2=PA7）
void Encoder_Init(void) {
    // 时钟和 GPIO 配置省略...
    
    // 配置编码器模式
    TIM3->SMCR |= TIM_SMCR_SMS_0 | TIM_SMCR_SMS_1;  // 模式3，4倍频
    
    // 配置输入滤波和极性
    TIM3->CCMR1 |= (3 << 4);   // IC1F=3，8个采样周期滤波
    TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1P; // 反相，根据编码器手册调整
    
    // 设置计数器范围
    TIM3->ARR = 0xFFFF;  // 16位计数器
    
    // 使能定时器
    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
    
    // 读取当前计数值
    int16_t position = (int16_t)TIM3->CNT;
}

4.5 定时器中断优先级配置

当多个定时器同时使用时，中断优先级配置就变得很重要。配置不当会导致中断丢失或响应延迟。

NVIC 优先级配置要点：

• STM32 使用 4 位优先级，分为抢占优先级和子优先级
• 抢占优先级决定是否可以嵌套中断
• 子优先级用于同抢占优先级下的中断排队
• 数值越小，优先级越高

// 中断优先级配置示例
void Timer_IRQ_Priority_Config(void) {
    // 设置优先级分组：3位抢占，1位子优先级
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_3);
    
    // 配置 TIM2 中断（高优先级）
    NVIC_InitTypeDef nvic;
    nvic.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    nvic.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&nvic);
    
    // 配置 TIM3 中断（低优先级）
    nvic.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
    nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    nvic.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&nvic);
}

4.6 定时器知识体系总览

下面这张图总结了本章的核心内容，帮你理清思路：