📚 课程目录第4章 FLEXIO定时器与移位器

4. FLEXIO 定时器与移位器：工作原理与配置寄存器详解

FLEXIO 的核心执行单元由 定时器（Timer） 和 移位器（Shifter） 组成。定时器负责产生位时钟、帧同步信号以及控制移位操作的时序；移位器则负责数据的串行发送与接收。理解这两个模块的协同工作原理，是使用 FLEXIO 模拟 UART、SPI、I2C 等协议的基础。

核心概念： 在 FLEXIO 中，定时器是“指挥官”，决定何时移位；移位器是“士兵”，负责数据的进出。一个典型的通信协议（如 UART）通常需要 1 个定时器 + 2 个移位器（一个发送，一个接收）。

4.1 移位器（Shifter）工作原理

移位器本质上是一个可配置的移位寄存器，支持 8、16、24、32 位数据宽度。它可以从 FLEXIO 引脚（SHIFTBUF 与引脚直连）或软件缓冲区（SHIFTBUFBIS/SHIFTBUFBYS）加载数据，并在定时器的触发下逐位移出或移入。

4.1.1 移位器关键配置寄存器

寄存器名称	偏移地址	位域	功能描述
SHIFTCFG[0..3]	0x00C + n*4	INSRC, PWIDTH, SSTOP, SSTART	配置移位器输入源、数据宽度、停止/起始位逻辑
SHIFTCTL[0..3]	0x020 + n*4	TIMSEL, PINCFG, PIPPOL, PINPOL, SMOD	选择关联定时器、引脚配置、引脚极性、工作模式
SHIFTBUF[0..3]	0x100 + n*4	SHIFTBUF[31:0]	主数据缓冲区，CPU/DMA 读写接口
SHIFTBUFBIS[0..3]	0x120 + n*4	SHIFTBUFBIS[31:0]	按位交换缓冲区（Bit Swapped）
SHIFTBUFBYS[0..3]	0x140 + n*4	SHIFTBUFBYS[31:0]	按字节交换缓冲区（Byte Swapped）

  实战要点：
  SMOD（移位器模式）： 配置为 0b001（发送）或 0b010（接收）。UART 全双工需要两个移位器分别配置为发送和接收。
PWIDTH（数据宽度）： UART 通常配置为 8 位数据（PWIDTH = 7，因为宽度 = PWIDTH + 1）。
INSRC（输入源）： 接收模式下必须选择引脚输入；发送模式下选择定时器输出或引脚输入（用于环回测试）。

4.2 定时器（Timer）工作原理

定时器是 FLEXIO 的时序核心。它内部包含一个 16 位计数器，可以配置为多种模式，用于产生移位时钟、帧同步信号或 PWM 波形。定时器的工作模式决定了它如何计数、何时复位以及如何与移位器交互。

4.2.1 定时器工作模式（TIMOD）

定时器的工作模式决定了其计数行为与输出波形。对于 UART 模拟，最常用的是 双 8 位计数器模式（TIMOD=0b001） 和 单 16 位计数器模式（TIMOD=0b000）。

TIMOD[2:0]	模式名称	计数器宽度	典型应用
`0b000`	单 16 位计数器模式	16 位	产生固定频率的移位时钟（如 SPI 时钟）
`0b001`	双 8 位计数器模式	高 8 位 + 低 8 位	UART 波特率生成（低 8 位控制位周期，高 8 位控制停止位/帧间隔）
`0b010`	单 16 位计数器模式（带触发复位）	16 位	需要外部信号同步的时钟生成
`0b100`	PWM 输出模式	16 位	产生占空比可调的 PWM 波形

4.2.2 定时器关键配置寄存器

寄存器名称	偏移地址	位域	功能描述
TIMCFG[0..3]	0x040 + n*4	TIMRST, TIMDIS, TIMENA, TIMOUT, TIMDEC, TIMOD	配置定时器复位源、禁用源、使能源、输出极性、递减源、工作模式
TIMCTL[0..3]	0x060 + n*4	TIMERSEL, PINCFG, PINPOL, PINSEL	选择定时器触发源、引脚配置、引脚极性、引脚选择
TIMCMP[0..3]	0x080 + n*4	TIMCMP[15:0]	定时器比较值，决定计数周期

UART 波特率配置陷阱：

在双 8 位模式下，TIMCMP[7:0] 控制数据位的长度（波特率分频），TIMCMP[15:8] 控制停止位/帧间隔的长度。
波特率计算公式：波特率 = FLEXIO_CLK / ( (TIMCMP[7:0] + 1) * 2 )。例如，FLEXIO_CLK = 48 MHz，需要 115200 波特率，则 TIMCMP[7:0] = 48e6 / (115200 * 2) - 1 ≈ 207。
停止位长度：停止位时间 = (TIMCMP[15:8] + 1) * 位时间。通常配置为 1 位停止位，即 TIMCMP[15:8] = 0。

4.3 定时器与移位器的协同工作

定时器和移位器通过内部硬件信号线直接连接，无需 CPU 干预。定时器每产生一个移位时钟脉冲，就会触发关联的移位器执行一次移位操作。这种硬件握手机制保证了高速数据传输的确定性。

4.3.1 配置步骤总结

使能 FLEXIO 模块时钟：在 PCC 寄存器中配置 FLEXIO 时钟源和分频。
配置引脚功能：将 FLEXIO 引脚设置为 ALT9 功能，并配置为输出（发送）或输入（接收）。
配置移位器（发送）：
- SHIFTCTL.SMOD = 0b001（发送模式）
- SHIFTCTL.PINCFG = 0b00（引脚输出）
- SHIFTCFG.PWIDTH = 7（8 位数据）
- SHIFTCFG.INSRC = 0（发送模式选择定时器输出）
配置移位器（接收）：
- SHIFTCTL.SMOD = 0b010（接收模式）
- SHIFTCTL.PINCFG = 0b01（引脚输入）
- SHIFTCFG.PWIDTH = 7（8 位数据）
- SHIFTCFG.INSRC = 1（接收模式选择引脚输入）
配置定时器：
- TIMCFG.TIMOD = 0b001（双 8 位模式）
- TIMCMP = (stop_bits << 8) | baud_rate_div（设置波特率和停止位）
- TIMCTL.TIMERSEL 选择触发源（通常选择引脚或软件触发）
使能 FLEXIO 模块：设置 FLEXIO_CTRL.FLEXEN = 1。
启动发送：向 SHIFTBUF 写入待发送数据，定时器自动开始工作。

代码示例：定时器与移位器初始化（伪代码）

// 假设使用 FLEXIO0，定时器 0，移位器 0（发送），移位器 1（接收）
// 波特率 115200，FLEXIO_CLK = 48 MHz

// 1. 使能时钟
PCC->PCCn[PCC_FLEXIO0_INDEX] |= PCC_PCCn_CGC_MASK;

// 2. 配置移位器 0（发送）
FLEXIO0->SHIFTCFG[0] = FLEXIO_SHIFTCFG_PWIDTH(7);   // 8 位数据
FLEXIO0->SHIFTCTL[0] = FLEXIO_SHIFTCTL_SMOD(1)      // 发送模式
                      | FLEXIO_SHIFTCTL_PINCFG(0)    // 引脚输出
                      | FLEXIO_SHIFTCTL_TIMSEL(0);   // 关联定时器 0

// 3. 配置移位器 1（接收）
FLEXIO0->SHIFTCFG[1] = FLEXIO_SHIFTCFG_PWIDTH(7)    // 8 位数据
                      | FLEXIO_SHIFTCFG_INSRC(1);    // 引脚输入
FLEXIO0->SHIFTCTL[1] = FLEXIO_SHIFTCTL_SMOD(2)      // 接收模式
                      | FLEXIO_SHIFTCTL_PINCFG(1)    // 引脚输入
                      | FLEXIO_SHIFTCTL_TIMSEL(0);   // 关联定时器 0

// 4. 配置定时器 0（双 8 位模式）
uint16_t baud_div = (48000000 / (115200 * 2)) - 1;  // ≈ 207
uint16_t stop_len = 0;                               // 1 位停止位
FLEXIO0->TIMCMP[0] = (stop_len << 8) | baud_div;
FLEXIO0->TIMCFG[0] = FLEXIO_TIMCFG_TIMOD(1)         // 双 8 位模式
                    | FLEXIO_TIMCFG_TIMRST(0)        // 定时器复位源：从不复位
                    | FLEXIO_TIMCFG_TIMDIS(2)        // 禁用源：比较器匹配时禁用
                    | FLEXIO_TIMCFG_TIMENA(2);       // 使能源：触发引脚上升沿
FLEXIO0->TIMCTL[0] = FLEXIO_TIMCTL_PINCFG(3)        // 引脚双向输出
                    | FLEXIO_TIMCTL_PINSEL(3);       // 使用 FLEXIO0_D3 作为定时器输出

// 5. 使能 FLEXIO
FLEXIO0->CTRL |= FLEXIO_CTRL_FLEXEN_MASK;

4.4 本章小结

移位器 负责数据的串行化与反串行化，通过 SHIFTCFG 和 SHIFTCTL 配置数据宽度、模式与引脚。
定时器 负责产生移位时钟与帧同步，通过 TIMCFG、TIMCTL 和 TIMCMP 配置工作模式、波特率与停止位。
双 8 位模式 是模拟 UART 的关键，低 8 位控制位周期，高 8 位控制帧间隔。
定时器与移位器通过内部硬件信号线直接耦合，无需 CPU 逐位干预，可实现高达数 Mbps 的通信速率。