4. 定时器原理与应用：CPU定时器结构、寄存器配置与PWM生成

定时器这东西，说简单也简单，说复杂也复杂。我刚开始做DSP开发那会儿，总觉得定时器就是个计数的玩意儿，后来踩了几个坑才明白——定时器用得好不好，直接决定了你的系统实时性能不能达标。

今天咱们就聊聊DSP的CPU定时器。从内部结构讲起，再到寄存器怎么配，最后落地到两个最常用的场景：精准延时和PWM波形生成。

4.1 CPU定时器内部结构

DSP的CPU定时器，说白了就是一个递减计数器。它有三个核心寄存器：

PRD（周期寄存器）：设定计数周期
TIM（计数寄存器）：当前计数值，每个时钟周期减1
TDDR（预定标寄存器）：对输入时钟做分频

工作流程是这样的：TIM从PRD加载初值，每个时钟脉冲减1。减到0时触发中断，然后自动重载PRD的值，继续下一轮计数。

嗯，这里要注意——TIM减到0的那一刻，会产生一个脉冲信号。这个信号既可以触发CPU中断，也可以直接输出到GPIO引脚。PWM就是靠这个机制实现的。

核心要点：定时器的精度取决于两个因素——输入时钟频率和PRD值。时钟越快，PRD越大，精度越高，但中断频率也越高。

我个人习惯把定时器的工作模式分成两种：单次模式和连续模式。单次模式适合做一次性延时，连续模式适合做周期性任务或PWM。

4.2 定时器寄存器配置

配置定时器，其实就是配那几个寄存器。我见过不少新手一上来就对着数据手册发呆，其实没那么复杂。

以TI C2000系列为例，核心寄存器就这几个：

寄存器	全称	作用	配置要点
TIM	Timer Counter	当前计数值	只读，硬件自动递减
PRD	Period Register	周期值	决定定时周期
TDDR	Timer Divide Register	时钟分频	实际分频系数 = TDDR + 1
TCR	Timer Control Register	控制位	启动/停止/中断使能

配置步骤其实就四步：

停定时器：写TCR寄存器，把TSS位置1
设周期：把目标计数值写入PRD
设分频：根据时钟频率算好TDDR
启动并使能中断：TSS清0，中断使能位置1

我的习惯：配置前先算好目标频率。比如系统时钟150MHz，想要1ms中断一次，那PRD = 150000 - 1，TDDR = 0。如果觉得中断太频繁，可以加大TDDR做分频。

来看一段实际的配置代码：

void Timer0_Init(void)
{
    // 1. 停定时器
    CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 1;

    // 2. 设分频：不分频
    CpuTimer0Regs.TPR.bit.TDDR = 0;
    CpuTimer0Regs.TPRH.bit.TDDRH = 0;

    // 3. 设周期：150MHz时钟，1ms中断
    // 计数值 = 150000000 / 1000 = 150000
    CpuTimer0Regs.PRD.all = 150000 - 1;

    // 4. 重载TIM
    CpuTimer0Regs.TIM.all = CpuTimer0Regs.PRD.all;

    // 5. 使能中断
    CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIE = 1;

    // 6. 启动
    CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 0;
}

我曾经踩过的坑：PRD的值是计数值减1！比如你要计1000个脉冲，PRD要写999。我第一次写的时候直接写了1000，结果定时周期长了1个时钟周期。虽然误差很小，但在高频PWM场景下，这个误差会被放大。

4.3 定时中断实现精准延时

精准延时，说白了就是让CPU等一段时间再干活。但怎么等，差别很大。

最简单的办法是软件延时——写个空循环。但这种方法有个致命问题：CPU被占死了，啥也干不了。而且延时精度受编译器优化影响，换个优化等级，延时时间就变了。

我推荐的做法是基于定时中断的延时：

配置定时器产生周期性中断
在中断服务函数里递增一个全局变量
主程序查询这个变量，达到目标值就继续执行

这样做的好处是：延时期间CPU可以处理其他任务，真正做到了"不空等"。

来看代码实现：

volatile unsigned long g_TimerTick = 0;

// 定时器中断服务函数
interrupt void Timer0_ISR(void)
{
    g_TimerTick++;
    // 清中断标志
    CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIF = 1;
    PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;
}

// 毫秒级延时函数
void Delay_ms(unsigned long ms)
{
    unsigned long start = g_TimerTick;
    while((g_TimerTick - start) < ms);
}

注意：g_TimerTick要用volatile修饰，防止编译器优化掉。我见过有人没加volatile，结果延时函数永远跳不出来——因为编译器把变量值优化到寄存器里了，中断改了内存值但寄存器没更新。

你想想看，这种延时方式精度能到多少？取决于定时器中断的频率。如果定时器1ms中断一次，那延时精度就是1ms。想要更高精度？把中断频率提高就行，但要注意中断服务函数的执行时间不能超过中断周期。

4.4 PWM波形生成

PWM，脉宽调制，说白了就是输出一个方波，通过调节占空比来控制功率。电机调速、LED调光、开关电源，哪哪都离不开它。

用定时器生成PWM，核心思路就一个：在定时器周期内，控制输出引脚的电平翻转时机。

具体做法分两步：

定时器工作在连续模式，周期由PRD决定
在中断服务函数里，根据当前计数值和占空比设定值，决定引脚输出高还是低

但说实话，用中断做PWM有个缺点——中断频率太高了。如果PWM频率是20kHz，那每50μs就要进一次中断。CPU大部分时间都在处理中断，干不了别的。

所以，真正的PWM都是用硬件做的。DSP内部有专门的ePWM模块，它内部有比较寄存器，硬件自动比较TIM和CMPA的值，自动翻转输出引脚，完全不需要CPU干预。

来看ePWM的配置代码：

void EPWM1_Init(void)
{
    // 1. 时基配置：150MHz时钟，150分频，PWM频率 = 150M/150/10000 = 100kHz
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = 0;    // 不分频
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = 0; // 高速分频
    EPwm1Regs.TBPRD = 1500 - 1;        // 周期值

    // 2. 计数模式：递增计数
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = 0;

    // 3. 比较值：占空比50%
    EPwm1Regs.CMPA.bit.CMPA = 750;

    // 4. 动作配置：TIM等于CMPA时输出低，TIM等于PRD时输出高
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = 1;  // 递增计数到CMPA时清0
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.PRD = 2;  // 到周期值时置1

    // 5. 使能输出
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.FREE_SOFT = 2;
}

我的经验：配置PWM时，先算好频率再算占空比。频率由TBPRD决定，占空比由CMPA决定。想调占空比，改CMPA就行；想调频率，改TBPRD。但改了TBPRD后，CMPA也要跟着调，否则占空比会变。

实际项目中，我经常用PWM做电机控制。占空比从0%到100%连续可调，电机转速也跟着平滑变化。但要注意一点——死区时间。如果控制H桥，上下管不能同时导通，否则会短路。ePWM模块有死区控制寄存器，专门解决这个问题。

我曾经踩过的坑：有一次做电机驱动，PWM频率设得太高，结果MOS管发热严重。后来查资料才发现，MOS管的开关损耗和频率成正比。频率高了，开关损耗就大。最后把频率从100kHz降到20kHz，问题解决了。所以PWM频率不是越高越好，要根据负载特性来选。

4.5 定时器选型建议

DSP芯片里通常有多个定时器，怎么选？我一般按这个原则：

场景	推荐定时器	理由
系统心跳/操作系统时钟	CPU Timer 0	优先级高，稳定可靠
精准延时	CPU Timer 1/2	独立于操作系统，不受调度影响
PWM生成	ePWM模块	硬件自动输出，不占CPU
输入捕获/脉冲计数	eCAP模块	硬件捕获，精度高

说白了，能用硬件就别用软件。硬件PWM不占CPU，硬件捕获精度高，这些都是软件模拟比不了的。

好了，定时器这块就聊到这儿。记住一句话：定时器是DSP的脉搏，用好了，你的系统就有了稳定的时间基准；用不好，整个系统的时间关系都是乱的。

📚 课程目录

4. 定时器原理与应用：CPU定时器结构、寄存器配置与PWM生成

4.1 CPU定时器内部结构

4.2 定时器寄存器配置

4.3 定时中断实现精准延时

4.4 PWM波形生成

4.5 定时器选型建议