STM32HAL库滴答定时器（SysTick）实现1ms中断的机制详解

STM32HAL库滴答定时器（SysTick）实现1ms中断的机制详解

1. SysTick定时器基础

• 功能定位：SysTick是Cortex-M内核自带的24位倒计时定时器，专为操作系统或实时任务设计。
• 核心寄存器：
  • LOAD：设置重载值，决定中断周期。
  • VAL：当前计数值，写入0可复位计数器。
  • CTRL：控制寄存器，配置时钟源、中断使能等。
    
    
    

2. HAL库的SysTick初始化流程

HAL库通过HAL_Init()函数自动初始化SysTick，但是SystemClock_Config()修改系统时钟时，HAL库会自动更新SysTick，关键步骤如下：

2.1 调用HAL_InitTick()

传入参数为中断优先级，可在cubeMX里的NVIC配置：

// HAL库初始化函数
HAL_StatusTypeDef HAL_Init(void) {
    // ...其他初始化...
    HAL_InitTick(TICK_INT_PRIORITY);  // 配置SysTick
    return HAL_OK;
}

函数定义如下，主要是设置重装值和中断优先级：

__weak HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
  /* Configure the SysTick to have interrupt in 1ms time basis*/
  if (HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / (1000U / uwTickFreq)) > 0U)
  {
    return HAL_ERROR;
  }

  /* Configure the SysTick IRQ priority */
  if (TickPriority < (1UL << __NVIC_PRIO_BITS))
  {
    HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, TickPriority, 0U);
    uwTickPrio = TickPriority;
  }
  else
  {
    return HAL_ERROR;
  }

  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}

主要调用了HAL_SYSTICK_Config()函数进行配置，参数为自动重装值，该函数定义如下：

/**
  * @brief  Initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.
  *         Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.
  * @param  TicksNumb: Specifies the ticks Number of ticks between two interrupts.
  * @retval status:  - 0  Function succeeded.
  *                  - 1  Function failed.
  */
uint32_t HAL_SYSTICK_Config(uint32_t TicksNumb)
{
   return SysTick_Config(TicksNumb);
}

__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
  if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)
  {
    return (1UL);                                                   /* Reload value impossible */
  }

  SysTick->LOAD  = (uint32_t)(ticks - 1UL);                         /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL); /* set Priority for Systick Interrupt */
  SysTick->VAL   = 0UL;                                             /* Load the SysTick Counter Value */
  SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                         /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
  return (0UL);                                                     /* Function successful */
}

2.2 计算重载值

uint32_t ticks = SystemCoreClock / 1000;  // 根据系统时钟计算1ms所需的计数值
SysTick->LOAD  = (ticks - 1UL);          // 设置重载值（必须减1）

• 示例：若系统时钟为72MHz，则ticks = 72000，重载值设为71999。

2.3 配置控制寄存器

SysTick->VAL   = 0UL;                     // 清空计数器
SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |  // 选择CPU时钟（HCLK）
                 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |  // 使能中断
                 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;      // 启动定时器

2.4 关键参数定义

1、SystemCoreClock：系统时钟频率
初始值是16M，但是SystemClock_Config()修改系统时钟时会自动更新这个值，上面的说明文字说明了这件事，

/** @addtogroup STM32F1xx_System_Private_Variables
  * @{
  */

  /* This variable is updated in three ways:
      1) by calling CMSIS function SystemCoreClockUpdate()
      2) by calling HAL API function HAL_RCC_GetHCLKFreq()
      3) each time HAL_RCC_ClockConfig() is called to configure the system clock frequency 
         Note: If you use this function to configure the system clock; then there
               is no need to call the 2 first functions listed above, since SystemCoreClock
               variable is updated automatically.
  */
  /* 此变量通过以下三种方式更新：
      1) 调用CMSIS函数 SystemCoreClockUpdate()
      2) 调用HAL API函数 HAL_RCC_GetHCLKFreq()
      3) 每次调用 HAL_RCC_ClockConfig() 配置系统时钟频率时
         注意：若使用此函数配置系统时钟，则无需调用前两种方式，
               因为 SystemCoreClock 变量会自动更新。
*/
uint32_t SystemCoreClock = 16000000;

具体实现可以在SystemClock_Config()函数最后看到：

2、uwTickFreq中断频率

因此 LOAD值 =系统时钟/中断频率 - 1= 72,000,000 / 1000 - 1

3. 时钟配置后的自动调整

当用户调用SystemClock_Config()修改系统时钟时，HAL库会自动更新SysTick，该函数会在时钟配置最后调用：

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

3.1 HAL_RCC_ClockConfig()的内部操作

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency) {
    // ...配置系统时钟...
    SystemCoreClockUpdate();  // 更新全局时钟变量
    HAL_InitTick();           // 重新初始化SysTick
    return HAL_OK;
}

具体实现：

3.2 动态调整示例

• 原始时钟：HSI 8MHz → SysTick重载值为7999（1ms中断）。
• 切换后时钟：HSE+PLL 72MHz → 重载值更新为71999，维持1ms中断周期。

4. 中断服务函数与时间管理

4.1 默认中断处理

HAL库通过这个中断实现ms级延时：

// 在stm32f1xx_it.c中定义
void SysTick_Handler(void) {
    HAL_IncTick();  // 递增全局计数器HAL_Tick
}

__weak void HAL_IncTick(void)
{
  uwTick += uwTickFreq;//1ms计数加1
}

__weak uint32_t HAL_GetTick(void)
{
  return uwTick;
}

• uwTick：32位变量，每1ms加1，用于HAL_Delay()和超时判断。

4.2 延时函数实现

记录起始计数值，获取当前计数值，当差值大于延时时间时说明延迟时间到了，退出死循环。

__weak void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;

  /* Add a freq to guarantee minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)(uwTickFreq);
  }

  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
  }
}

5. 关键配置参数详解

参数	说明	典型值
SystemCoreClock	系统时钟频率（HAL库通过SystemCoreClockUpdate()更新）	72,000,000 Hz (72MHz)
ticks	每毫秒所需的时钟周期数（= SystemCoreClock / 1000）	72,000
LOAD寄存器	实际写入的重载值（ticks - 1）	71,999
CTRL寄存器配置	0x7：启用中断、选择CPU时钟、启动定时器	0x00000007

6. 验证与调试方法

6.1 GPIO翻转测试

void SysTick_Handler(void) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);  // PA5每1ms翻转一次
    HAL_IncTick();
}

• 示波器测量：PA5输出方波，周期应为2ms（每个中断翻转一次）。

6.2 代码调试

• 检查SystemCoreClock值：

  printf("SystemCoreClock = %lu Hz\n", SystemCoreClock);  // 确认与预期时钟一致
  

• 查看HAL_Tick递增：
  在调试器中观察HAL_Tick变量是否每1ms增加1。

7. 常见问题与解决

问题现象	可能原因	解决方案
延时函数不准确	系统时钟配置错误	检查SystemClock_Config()是否正确配置时钟
SysTick中断未触发	全局中断未使能	在main()中调用__enable_irq()
HAL_Tick不更新	SysTick中断服务函数未执行	检查是否重写了SysTick_Handler()未调用HAL_IncTick()

8. 自定义中断周期

若要修改SysTick中断周期（如改为2ms）：

// 在main()中重新配置
uint32_t new_ticks = SystemCoreClock / 500;  // 500Hz → 2ms
SysTick->LOAD = new_ticks - 1;
SysTick->VAL = 0;
// 注意：需同步修改HAL_Delay()逻辑或避免使用HAL库延时函数

9. 总结

• 自动化管理：HAL库通过HAL_Init()和HAL_RCC_ClockConfig()自动完成SysTick的初始化和动态调整，确保1ms中断周期的准确性。
• 依赖系统时钟：SysTick的配置直接关联SystemCoreClock，时钟配置错误将导致定时异常。
• 调试建议：通过GPIO翻转和调试器监控，可快速定位时钟或中断配置问题。