GD32F103裸机编程模板：利用滴答定时器实现精准延时

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简介：本项目模板基于GD32F103系列微控制器，集成SysTick滴答定时器以实现精确的延时功能。SysTick定时器是Cortex-M3内核的重要组成部分，适用于实时操作系统和裸机编程，提供硬件级别的定时功能。用户可以通过配置寄存器来控制延时周期，实现周期性任务调度或简单延时。模板包含完整的开发项目文件，帮助开发者快速学习并应用滴答定时器到GD32F103项目中。此外，本模板还提供了一套精确延时的实现步骤和注意事项，以提高开发效率和项目可靠性。

1. GD32F103微控制器基础

在嵌入式系统开发领域，微控制器(MCU)是实现智能设备控制的核心部件。GD32F103系列微控制器，作为一款高性能的32位通用微控制器，广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备等众多领域。它以Cortex-M3为内核，拥有丰富的外设接口以及高性能的处理能力，因此深受工程师们的青睐。

本章将首先对GD32F103的基本架构进行概述，包括其处理器核心、存储资源以及通用外设接口等。随后，我们会深入了解如何基于这一平台进行软件开发，包括对开发环境的搭建、基础编程以及如何在实际项目中利用GD32F103系列微控制器的特性来提高系统的可靠性和性能。通过这一章的学习，读者将对GD32F103有一个全面的认识，为进一步掌握SysTick滴答定时器等高级功能打下坚实的基础。

2. SysTick滴答定时器介绍

2.1 滴答定时器的硬件架构

2.1.1 系统定时器的组成

在微控制器中，SysTick滴答定时器是系统核心的一部分，通常由以下几个组件构成：

• 控制和状态寄存器（SysTick Control and Status Register, CSR） ：这个寄存器用于控制SysTick定时器的运行、状态反馈以及中断使能等。
• 重装载值寄存器（SysTick Reload Value Register, RV） ：此寄存器用于设定SysTick定时器的计数周期，当计数器达到0时，如果启用了SysTick定时器的自动重装载功能，那么它会自动重装载该值并继续计数。
• 计数器值寄存器（SysTick Current Value Register, CV） ：表示当前SysTick定时器的计数值，可以通过读取此寄存器来获取剩余计数或确认SysTick定时器的状态。

SysTick滴答定时器通常与CPU同步工作，时钟频率与CPU的主频相同，以保证定时的准确性。

2.1.2 滴答定时器与系统时钟的关系

SysTick定时器与系统时钟紧密相关，通常依赖于CPU主时钟源。SysTick能够实现精确的时间基准，主要是因为它可以使用两种时钟源：

• 系统时钟 ：直接使用CPU的主时钟源作为时钟输入。
• 参考时钟（也称为外设时钟） ：通过系统时钟分频后得到。

SysTick定时器会以固定的频率对计数器值进行递减操作，当计数器值减到0时触发中断（如果中断被使能），并且可以配置为自动重装载并重新开始计数，这样就形成了一种定时中断。

2.2 滴答定时器的主要特性

2.2.1 自动重装载寄存器的作用

自动重装载寄存器是SysTick定时器的关键特性之一，允许在计数器值达到0时自动重新加载预先设定的值并继续计数。这样可以避免软件在每次中断中重新设置定时器，降低了中断服务程序的开销，同时也保证了定时的连续性。

当SysTick定时器启用时，如果在SysTick控制寄存器中设置了 RELOAD 位，则每次计数器到达0时，重装载值会自动从重装载值寄存器传送到计数器中。如果不设置 RELOAD 位，计数器会一直计数到0，然后停止。

2.2.2 控制与状态寄存器详解

SysTick控制和状态寄存器（SysTick CSR）是管理滴答定时器行为的重要寄存器。该寄存器的主要位字段如下：

• ** ENABLE (bit 0)**: 启用/禁用SysTick定时器。写入1启用定时器，写入0禁用定时器。
• INTEN (bit 1) : 中断使能位。当此位被设置时，定时器计数到0会产生SysTick异常。
• CLKSOURCE (bit 2) : 时钟源选择位。当此位被设置为0时，选择处理器时钟作为SysTick定时器的时钟源。
• COUNTFLAG (bit 16) : 计数器溢出标志位。读取此位，如果为1，则表示计数器已经从非0值减到0。

通过设置这些位，SysTick定时器可以被配置成满足不同需求的定时中断源。例如，可以将SysTick定时器配置为在固定的时间间隔内产生中断，这对于实时操作系统的时钟节拍和任务调度非常有用。

为了进一步理解SysTick的实现，下面是一段配置SysTick定时器的伪代码示例，包括初始化和启动SysTick定时器的基本步骤。

// SysTick初始化与启动伪代码
#define SysTick_CTRL_RELOAD 0x00010000 // 重装载寄存器使能
#define SysTick_CTRL_ENABLE 0x00000001 // SysTick使能

// 假设系统时钟为100MHz
#define SYSTICK_FREQ 1000 // 滴答定时器频率1000Hz，即计数周期1ms

void SysTick_Init(void) {
    // 禁用SysTick定时器，进行配置
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE;

    // 设置重装载值，计算方法为：SysTick时钟频率 / 滴答定时器频率 - 1
    SysTick->LOAD = (SysTick->VAL = (SystemCoreClock / SYSTICK_FREQ) - 1);

    // 配置SysTick时钟源和中断使能
    SysTick->CTRL |= (SysTick_CTRL_CLKSOURCE | SysTick_CTRL_INTEN);

    // 启用SysTick定时器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE;
}

void SysTick_Handler(void) {
    // SysTick定时器中断服务程序
    // 用户代码，如计时器事件处理
}

在上述代码中，我们首先禁用了SysTick定时器，设置了重装载值，该值是SysTick时钟频率与我们所需的滴答定时器频率之间的差值减1（因为计数是从1开始的）。然后，我们设置了SysTick的时钟源为处理器时钟，并使能了中断。最后，通过设置 SysTick_CTRL_ENABLE 位启用SysTick定时器。

上述代码仅提供了一个基本的使用示例。SysTick的高级配置可能会涉及对 SysTick->CTRL 寄存器其他位的设置，例如CLKSOURCE位的使用，以及如何配置其他高级选项，如SysTick定时器的系统空闲模式下的行为等。

3. 精准延时功能实现原理

3.1 延时的基本概念

在系统编程中，延时是一种常见的功能，用于暂停代码执行一段时间。这一功能在多种场景下非常有用，例如，为初始化等待提供时间、确保数据传输完成或执行定时任务。

3.1.1 延时函数的分类

延时函数可以分为两大类：软件延时和硬件延时。

• 软件延时 ：软件延时是通过程序代码实现的延时，常见的有for循环延时、while循环延时或使用特定的软件计时函数。它们易于实现，但会占用CPU资源，且在多任务环境下不够准确。
• 硬件延时 ：硬件延时是利用硬件定时器实现的，如SysTick滴答定时器。硬件延时的精度较高，不会占用CPU资源，可以实现多任务下的精确时序控制。

3.1.2 延时精度的影响因素

• 系统时钟频率 ：时钟频率越高，单位时间内的计时次数就越多，因此可以实现更高精度的延时。
• 中断服务程序（ISR）的响应时间 ：如果ISR的响应时间过长，将会直接影响到延时的精度。
• 操作系统调度延时 ：对于多任务操作系统，操作系统的任务调度也会影响延时的准确性。

3.2 SysTick滴答定时器的延时原理

SysTick定时器是一个24位的递减计数器，具有自动重装载功能。SysTick可以用来生成周期性的中断信号，因此非常适合用于实现精确的延时。

3.2.1 时钟源的选择

SysTick可以由系统核心时钟（HCLK）或外部参考时钟（如10ms时钟）驱动。选择合适的时钟源对于实现精确延时至关重要。

• 系统核心时钟（HCLK） ：提供较高的时间分辨率，适合需要高精度延时的应用场景。
• 外部参考时钟 ：如10ms时钟，虽然时间分辨率较低，但对功耗要求严格的场合更为适用。

3.2.2 计数模式对延时的影响

SysTick定时器支持两种计数模式：递减计数到零时产生中断和自由运行模式。

• 递减计数到零模式 ：计数器从预设值递减到零时产生中断。该模式适合实现单次延时。
• 自由运行模式 ：计数器在每次递减到零后自动重装预设值，并继续计数。该模式适合实现周期性或连续的延时。

3.3 实现延时操作的代码示例

以下是使用SysTick定时器实现延时的代码示例：

#include "stm32f10x.h"

void SysTick_Handler(void) {
    // SysTick中断处理函数，可以增加延时逻辑
}

void Delay_ms(uint32_t ms) {
    // 计算重装载值
    uint32_t reload = ms * (SystemCoreClock / 1000);
    // 设置SysTick控制及状态寄存器
    if (SysTick_Config(reload)) {
        // 错误处理
        while(1);
    }
    // 开启SysTick定时器
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    // 在这里加入等待或进行其他操作
    // 等待结束后，关闭SysTick定时器
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}

上述代码中，首先计算重装载值以设置SysTick定时器的计数频率。然后调用 SysTick_Config() 函数配置SysTick控制及状态寄存器，并启动SysTick定时器。在指定的时间后，我们通过关闭SysTick定时器来结束延时。

3.4 参数说明与逻辑分析

• SystemCoreClock ：系统时钟频率，通常在系统初始化后设定。
• SysTick_Config() ：这是一个由STM32F1库提供的函数，用于设置SysTick定时器的重装载值和控制寄存器。如果返回错误，说明配置失败。
• SysTick->CTRL ：SysTick控制及状态寄存器，用于控制SysTick的行为，包括使能/禁用定时器，配置中断和时钟源。

通过以上逻辑分析，SysTick滴答定时器可以实现精准的延时功能。下一章节将介绍滴答定时器的初始化流程，进一步深入到SysTick滴答定时器的实际应用中去。

4. 滴答定时器初始化流程

4.1 初始化前的准备工作

4.1.1 相关寄存器的配置

在深入介绍滴答定时器的初始化流程之前，我们需要理解与之相关的寄存器及其作用。SysTick定时器涉及几个关键寄存器，包括SysTick控制及状态寄存器（SysTick_CTRL），SysTick重装载值寄存器（SysTick_LOAD），和SysTick当前值寄存器（SysTick_VAL）。

SysTick_CTRL寄存器 ，主要控制滴答定时器的启动、中断使能、时钟源选择等功能。例如，其中的 CLKSOURCE 位用于选择时钟源（处理器时钟或外部参考时钟）， ENABLE 位用于启动或停止定时器。

SysTick_LOAD寄存器 用于加载滴答定时器的重装载值，该值决定了滴答定时器的周期。通过向此寄存器写入适当的值，可以设定滴答定时器在达到这个值后，如果启用了中断，会触发一次中断，并重新加载该值开始下一个周期。

SysTick_VAL寄存器 ，用于读取当前滴答计数值。该寄存器在每次SysTick定时器计数时递减，直到达到零，然后根据LOAD寄存器的值重新加载。

初始化这些寄存器是确保滴答定时器正确工作的前提。在实际编程中，我们需要根据需要配置这些寄存器。

4.1.2 时钟系统的选择与配置

滴答定时器的时钟源配置是其工作的一个重要方面。SysTick定时器可以使用内部的处理器时钟或外部的参考时钟作为其时钟源。正确选择时钟源对于实现所需的定时精度至关重要。

选择处理器时钟作为时钟源时，定时器的时钟频率与处理器内核时钟频率相同，这使得定时器运行频率可以随处理器频率的变化而变化，适合需要与处理器运行频率同步的应用场景。

选择外部时钟源则可以为定时器提供一个更稳定的频率，特别是当处理器频率变化或者在节能模式下时。但需要注意，这时需要确保外部时钟源的稳定性和精确度。

在初始化滴答定时器之前，必须确保时钟源的正确配置，这通常涉及系统时钟配置代码，需要根据芯片的具体情况来编程设置。

代码示例

// 定义SysTick控制及状态寄存器地址
#define SysTick_CTRL (*(volatile uint32_t*)0xE000E010)
// 定义SysTick重装载值寄存器地址
#define SysTick_LOAD (*(volatile uint32_t*)0xE000E014)
// 定义SysTick当前值寄存器地址
#define SysTick_VAL (*(volatile uint32_t*)0xE000E018)

void SysTick_Config(void) {
    // 关闭SysTick定时器
    SysTick_CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    // 设置SysTick定时器的重装载值
    // 假设我们希望的计时周期为1ms，并且系统时钟为72MHz
    // 则重装载值为：72000 - 1 = 71999
    SysTick_LOAD = 71999;

    // 清空SysTick定时器当前值
    SysTick_VAL = 0;

    // 启用SysTick定时器
    SysTick_CTRL |= (SysTick_CTRL_ENABLE_Msk |
                     SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                     SysTick_CTRL_TICKINT_Msk);
}

int main(void) {
    // 初始化时钟系统，这里假设已有配置代码
    SystemClock_Config();

    // 配置SysTick定时器
    SysTick_Config();

    // 其余代码...
}

以上代码示例展示了如何配置滴答定时器的相关寄存器，使其以1ms为周期触发中断。注意，在实际使用前，应根据实际系统时钟配置相应的重装载值，并确保时钟系统已正确初始化。

4.2 初始化步骤详解

4.2.1 SysTick控制及状态寄存器配置

SysTick定时器的控制及状态寄存器（SysTick_CTRL）是初始化过程中需要重点关注的部分。寄存器的配置包括了启动/停止定时器、使能/禁用中断、选择时钟源以及启用/禁用计数器。

控制寄存器位定义

• CLKSOURCE (bit 2) : 选择时钟源，0表示处理器时钟，1表示外部参考时钟。
• TICKINT (bit 1) : 使能SysTick异常处理，0表示禁止，1表示使能。
• ENABLE (bit 0) : 启动或停止SysTick定时器，0表示停止，1表示启动。

在进行初始化时， ENABLE 位应该设置为0以确保在配置其他参数时不发生中断， TICKINT 位通常设置为1以使能中断（如果需要）， CLKSOURCE 位根据实际情况进行设置。

4.2.2 重装载值的计算与设置

SysTick定时器的重装载值寄存器（SysTick_LOAD）设置的值，决定了定时器的溢出周期。该值必须小于SysTick的最大值，即0xFFFFFF。根据所需的延时时间，通过以下公式计算重装载值：

重装载值 = SysTick时钟频率 * 延时时间 - 1

例如，如果SysTick时钟频率为72MHz，并希望获得1ms的周期，那么重装载值应该是：

72 * 10^6 * 0.001 - 1 = 71,999

因此，将SysTick_LOAD寄存器设置为71,999即可得到1ms的溢出周期。注意，由于寄存器为32位宽，SysTick定时器的最大延迟时间大约为16,777,215 / SysTick时钟频率。

代码逻辑分析

SysTick->CTRL = 0; // 关闭SysTick定时器
SysTick->LOAD  = 0x0071999; // 设置重装载值为71999，即1ms延时
SysTick->VAL   = 0; // 清空当前计数器值
SysTick->CTRL = 0x00000005; // 启用SysTick并使用处理器内核时钟源

在以上代码段中，SysTick定时器被配置为使用处理器内核时钟源，并设置为1ms周期。这里 0x00000005 是二进制 0b0101 的十六进制表示，其中 0b01 用于启用SysTick定时器， 0b00 用于设置时钟源为处理器内核时钟， 0b1 用于使能SysTick中断。

参数说明与优化建议

• SysTick时钟频率 : 在编程前需要确认时钟频率，这通常由外部晶振和芯片内部的PLL（Phase-Locked Loop）配置决定。
• 重装载值计算 : 以1ms为单位的延时，所计算的重装载值对滴答定时器周期起着决定性作用。需要根据实际时钟频率调整。
• SysTick中断使能 : 如果程序中不需要使用SysTick中断，可以不使能 TICKINT 位。

重装载值的设置与SysTick时钟频率紧密相关，需要精确计算。在实际应用中，可能需要根据外设或其他定时需求进行调整，以便获得所需的定时精度。

表格展示

对于SysTick定时器的相关寄存器配置，我们可以创建一个表格来清楚地展示不同配置位的功能和设置方法：

| 寄存器名 | 位号 | 位名称 | 功能描述 | 配置值 | |----------|-------|-------|------------------------------------|--------| | SysTick_CTRL | 2 | CLKSOURCE | 时钟源选择：0-处理器时钟，1-外部参考时钟 | 0 或 1 | | SysTick_CTRL | 1 | TICKINT | SysTick异常处理使能：0-禁止，1-使能 | 0 或 1 | | SysTick_CTRL | 0 | ENABLE | 启动/停止SysTick定时器：0-停止，1-启动 | 0 或 1 | | SysTick_LOAD | 0-23 | 重装载值 | 滴答定时器溢出周期设置 | 0-0xFFFFFF |

总结

在初始化滴答定时器时，我们首先要进行寄存器的配置，包括SysTick定时器的控制及状态寄存器配置和重装载值的计算与设置。需要注意的是，SysTick定时器的时钟源选择以及重装载值的精确计算是至关重要的，它们直接影响到滴答定时器的准确性和可靠性。通过适当的配置，我们可以确保SysTick定时器按照预期执行，为我们的应用程序提供准确的定时服务。

5. 延时函数设计方法

5.1 软件延时与硬件延时的选择

5.1.1 软件延时的优缺点分析

软件延时是一种通过执行空操作或无意义的计算来消耗时间的方法，以达到延时效果。这种方法不需要硬件支持，编程实现简单，在不支持硬件延时的系统中尤其有用。软件延时的优点包括实现简单，不占用额外的硬件资源，以及可以轻松地通过调整代码实现不同长度的延时。然而，软件延时也有明显的缺点。它会占用CPU资源，导致CPU不能执行其他任务。此外，软件延时的精度依赖于CPU的执行速度，因此在不同的处理器或不同的运行条件下，延时长度可能会有所不同。

5.1.2 硬件延时的优缺点分析

硬件延时是利用定时器或计数器等硬件资源实现的延时方式。与软件延时相比，硬件延时更加稳定和精确，因为它不会占用CPU资源，并且由硬件定时器独立运行。硬件延时在多任务操作系统中非常有用，因为它允许CPU在延时期间处理其他任务。硬件延时的缺点是需要占用额外的硬件资源，并且硬件延时的实现和配置相对复杂，需要对系统硬件有深入的了解。

5.2 实现延时函数的编程技巧

5.2.1 利用SysTick滴答定时器编写延时函数

SysTick滴答定时器是一种内置在许多微控制器中的硬件定时器，专门用于生成精确的系统时钟中断。在GD32F103微控制器中，SysTick可以用来实现硬件延时。以下是一个使用SysTick实现延时函数的示例代码：

#include "gd32f10x.h"

// SysTick初始化函数，配置系统滴答定时器
void SysTick_Init(void) {
    // SystemCoreClock 是一个由系统时钟配置自动生成的全局变量，包含了系统时钟频率
    if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) { // 配置SysTick产生1ms的定时器中断
        while (1); // 初始化失败，捕获异常
    }
}

// SysTick中断服务程序
void SysTick_Handler(void) {
    // 这里添加用户代码，每次SysTick中断触发时执行
}

// 延时函数实现，使用SysTick滴答定时器进行延时
void Delay_ms(uint32_t ms) {
    ms *= (SystemCoreClock / 1000); // 将毫秒转换为时钟周期
    while (ms--) {
        __NOP(); // 执行空操作，等待下一个SysTick中断
    }
}

在上述代码中，首先通过 SysTick_Init 函数初始化SysTick定时器，使其产生1ms的定时器中断。在 SysTick_Handler 函数中，可以添加用户需要周期性执行的代码。然后， Delay_ms 函数通过循环等待SysTick中断发生来实现毫秒级别的延时。

5.2.2 延时函数的精确度校准

为了确保延时函数的精确度，通常需要对SysTick定时器进行校准。这一步骤对于不同的微控制器或不同的系统时钟频率可能有所不同，因为需要根据实际时钟频率来配置SysTick的重装载值。校准的过程可以通过精确的外部测量设备来完成，以确保每个SysTick周期代表一个准确的时间间隔。

SysTick定时器的配置通常依赖于系统时钟的频率，这可以使用系统时钟配置函数来获取。如果系统时钟发生变化（比如从内部时钟切换到外部时钟，或者频率调整），则必须重新校准SysTick定时器以保持延时的精确度。

校准后的延时函数可以在多种应用中使用，例如，用于控制LED闪烁频率，定时采样数据，或者在通信协议中实现精确的超时检测。精确的延时函数对于确保整个系统的稳定性和可靠性至关重要。

6. 中断服务程序处理

中断服务程序是微控制器中不可或缺的一部分，它使得CPU能够响应外部或内部的突发事件。在GD32F103微控制器中，SysTick滴答定时器可以作为系统中断源，通过编程可实现定时中断功能。本章将详细介绍中断服务程序的编写基础以及如何与滴答定时器联动使用。

6.1 中断服务程序的编写基础

在GD32F103微控制器中，中断服务程序的编写涉及到中断优先级的配置以及中断向量表的配置与使用。

6.1.1 中断优先级的配置

中断优先级用于解决同时发生多个中断时的处理顺序问题。在GD32F103中，每个中断源都有一个可编程的优先级。

voidVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority);

上述函数用于设置中断源 IRQn 的优先级。 VIC 是向量中断控制器， IRQn_Type 是中断源的枚举类型， priority 是优先级值。需要注意的是，优先级数字越小表示优先级越高。

6.1.2 中断向量表的配置与使用

中断向量表记录了所有中断服务程序的入口地址。在GD32F103微控制器中，中断向量表通常在系统启动时由启动代码初始化。

voidVIC_Config(void)
{
    // 配置向量表偏移量
    VIC_VECTormanage(VIC_VECTormanage立案移量);

    // 配置中断源及中断处理函数
    VIC_VECTormanage(中断源, 中断处理函数);
}

在上述示例代码中，我们配置了向量管理器来设置中断源和对应的中断处理函数。在编写中断服务程序时，需要保证其能够快速执行并返回，避免影响系统的实时性。

6.2 中断服务程序与滴答定时器的联动

当SysTick滴答定时器配置为产生中断时，中断服务程序将按设定周期触发执行。

6.2.1 中断触发条件设置

要让滴答定时器产生中断，需要配置其控制状态寄存器。

SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_TICKINT_Msk; // 使能SysTick中断
SysTick->LOAD = SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;  // 设置自动重装载寄存器的值
SysTick->VAL  = 0;                        // 清除当前计数值
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; // 启用SysTick

上述代码中，首先使能了滴答定时器中断，然后设置重装载寄存器的值，并清空当前的计数值，最后启用滴答定时器。当计数器从零开始计数至重装载值时，产生中断。

6.2.2 中断服务程序中的滴答定时器控制

在中断服务程序中，可以执行定时任务，例如更新一个全局计数器或者执行定时检查等。

void SysTick_Handler(void)
{
    // 中断处理代码
    // 此处可以放置对滴答定时器相关的操作代码

    // 检查是否需要更新全局计数器或其它定时任务
}

在中断处理函数 SysTick_Handler 中，可以插入执行定时任务的代码。这个函数被系统调用，用于处理SysTick中断。

通过配置和使用中断服务程序，可以实现对滴答定时器的精确控制。这些内容是实现微控制器应用系统稳定工作的基础，也为后续的性能优化和实际应用提供了支持。在下一章节中，我们将探讨滴答定时器在应用中的注意事项和性能优化方法。

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