單片機中各種周期的關係與定時器原理

　　在計算機中，為了便於管理，常把一條指令的執行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201812/395667.htm

　　時鐘周期：

　　時鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時間發出的脈衝數，一般有外部的振晶產生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒發出12000000個脈衝信號，那麼發出一個脈衝的時間就是時鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統時鐘周期。是計算機中最基本的、最小的時間單位。

　　在8051單片機中把一個時鐘周期定義為一個節拍(用P表示)，二個節拍定義為一個狀態周期(用S表示)。

　　機器周期：

　　在計算機中，為了便於管理，常把一條指令的執行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期(狀態周期)組成。8051系列單片機的一個機器周期同6個S周期(狀態周期)組成。前面已說過一個時鐘周期定義為一個節拍(用P表示)，二個節拍定義為一個狀態周期(用S表示)，8051單片機的機器周期由6個狀態周期組成，也就是說一個機器周期=6個狀態周期=12個時鐘周期。

　　在標準的51單片機中，一般情況下，一個機器周期等於12個時鐘周期，也就是機器周期=12*時鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那麼機器周期=1微秒。單片機工作時，是一條一條地從RoM中取指令，然後一步一步地執行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準。

　　機器周期不僅對於指令執行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數器的時間基準。例如一個單片機選擇了12MHZ晶振，那麼當定時器的數值加1時，實際經過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。

　　但是在8051F310中，CIP-51 微控制器內核採用流水線結構，與標準的 8051 結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個標準的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個系統時鐘周期，最大系統時鐘頻率為 12-24MHz。而對於 CIP-51 內核，70%的指令的執行時間為 1或2個系統時鐘周期，只有 4 條指令的執行時間大於 4 個系統時鐘周期。 所以在計算定時器的值時要注意這裡的變化。

　　指令周期：

　　指令周期是執行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數也不同。對於一些簡單的的單字節指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器後，立即解碼執行，不再需要其它的機器周期。對於一些比較複雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

　　系統時鐘：

　　系統時鐘：系統時鐘就是CPU指令運行的頻率，這個才是CPU真正的頻率。

　　單片機內部所有工作，都是基於由晶振產生的同一個觸發信號源，由這個信號來同步協調工作步驟，我們把這個信號稱為系統時鐘，系統時鐘一般由晶振產生，但在單片機內部系統時鐘不一定等於晶振頻率，有可能小於晶振頻率，也有可能大於晶振頻率，具體是多少由單片機內部結構決定，正常情況和晶振頻率會存在一個整數倍關係。系統時種是整個單片機工作節奏的基準，它每振蕩一次，單片機就被觸發執行一次操作。

　　一般來說,單片機只有一個時鐘源.用了外部晶振,就不用內部RC,用了內部RC,就不用外部晶振.振蕩器振蕩,產生周期波.單片機在這樣的周期波的作用一下有規律的一拍一拍的工作,波的頻率越高,單片工作得就越快,波的頻率越低,單片機工作得就越慢。

　　有了以上的概念以後，就可以正確的理解定時器的工作原理了，在8051F310單片機中，有3個定時器，如果定時器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計時器，最大數值是65535,當再加1時(=65536)，就會發生溢出，產生中斷，所以如果我們要它計1000個數， 那麼定時初值就是65536-1000，結果就是64536，這個值送給TH、TL，因為是16進位的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取餘。

　　再者，就是每一計數的時間是多久?一般我們取12M晶振時，一個周期剛好是1us，計數1000個就是1ms，這是因為標準的51單片機是12時鐘周期的(STC有6時鐘和1時鐘方式)。那麼，如果我們晶振是12M，就比較好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那麼就是12/6=2，每個計數是2us，那麼你要定時1ms就只要計數500個即可以。

　　定時器的初值跟定時器的工作方式，跟晶振頻率都有關係。一個機器周期Tcy=晶振頻率X12，計數次數N=定時時間t/機器周期Tcy，那麼初值就X=65536-N，得出的數化成十六進位就行了。這裡是用定時器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。這裡有一個公式：

　　TH=(65536-time/(12/ft))/256

　　其中，time就是要延時的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個式子又可以簡化成

　　TH=(65536-time*ft/12)/256

　　TL=(65536-time*ft/12)%6

　　在一本書上還看到了這樣計算定時初值的：

　　TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時初值

　　TL0=-(50235%6); ///這裡使用的6M晶體，

　　這裡是6M晶體，延時100ms，那麼按上面講的原理，6M是每個計數為2us，100ms定時就是計數50000個。

　　那麼，定時器初值要 65536-50000=15536，轉成16進是3CB0。這就是要送給TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

　　程序中寫 TH0=-(50235/256);其實它是這樣的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取負數，其結果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十進位的256)去減，結果是多少呢?結果就是3C。

　　以STM32F103為例，進行解析

　　STM32的TIM一般有高級定時器TIM1，(TIM8隻有在互聯性產品有)，普通定時器TIM2，TIM3，TIM4，(TIM5，TIM6，TIM7有點設備中沒有);今天就只介紹普通定時器，因為高級定時器我還不會!每一個普通定時器都有4路通道!

　　

　　

　　這個是分頻器的工作原理，我們可以看，分頻器設定之前分頻係數為1[1]，後面的[2][3][4]分頻係數為2，分頻係數改變後，計數周期也跟著改變了;同時預分頻設置生效時，他還會產生一個中斷信號，這個中斷信號不要管他，一個系統時鐘周期後會自動消失，跟I2C的差不多!

　　

　　

　　3、stm32f103zet6 定時器

　　大容量的STM32F103XX增強型系列產品包含最多2個高級控制定時器、4個普通定時器和2個基本定時器，以及2個看門狗定時器和1個系統嘀嗒定時器。

　　下表比較了高級控制定時器、普通定時器和基本定時器的功能：

　　定時器功能比較

　　

　　1)計數器三種計數模式

　　向上計數模式：從0開始，計到arr預設值，產生溢出事件，返回重新計時

　　向下計數模式：從arr預設值開始，計到0，產生溢出事件，返回重新計時

　　中央對齊模式：從0開始向上計數，計到arr產生溢出事件，然後向下計數，計數到1以後，又產生溢出，然後再從0開始向上計數。(此種技術方法也可叫向上/向下計數)

　　2)高級控制定時器(TIM1和TIM8)

　　兩個高級控制定時器(TIM1和TIM8)可以被看成是分配到6個通的三三相PWM發生器，它具有帶死區插入的互補PWM輸出，還可以被當成完整的通用定時器。四個獨立的通道可以用於：

　　(1)輸入捕獲

　　(2)輸出比較

　　(3)產生PWM(邊緣或中心對齊模式)

　　(4)單脈衝輸出

　　配置為16位標準定時器時，它與TIMX定時器具有相同的功能。配置為16位PWM發生器時，它具有全調製能力(0~100%)。在調試模式下，計數器可以被凍結，同時PWM輸出被禁止，從而切斷由這些輸出所控制的開關。很多功能都與標準的TIM定時器相同，內部結構也相同，因此高級控制定時器可以通過定時器連結功能與TIM定時器協同操作，提供步或事件連結功能。

　　3)通用定時器(TlMx)

　　STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增強型系列產品中，內置了多達4 個可同步運行的標準定時器(TIM2、TIM3、TIM4和TIM5)。每個定時器都有一個16位的自動加載遞加/遞減計數器、一個16位的預分頻器和4個獨立的通道，每個通道都可用於輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈衝模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多16個輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過定時器連結功能與高級控制定時器共同工作，提供同步或事件連結功能。在調試模式下，計數器可以被凍結。任一標準定時器都能用於產生：PWM輸出。每個定時器都有獨立的DMA請求機制。

　　這些定時器還能夠處理增量編碼器的信號，也能處理1至3個霍爾傳感器的數字輸出。

　　4)基本定時器-TlM6和TIM7

　　這2個定時器主要是用於產生：DAC觸發信號，也可當成通用的16位時基計數器。獨立看門 狗獨立的看門狗是基於一個12位的遞減計數器和一個8位的預分頻器，它由一個內部獨立的40kHz的RC振蕩器提供時鐘; 因為這個RC振蕩器獨立於主時鐘，所以它可運行於停機和待機模式。它可以被當成看門狗用於在發生問題時復位整個系統，或作為一個自由定時器為應用程式提供超時管理。通過選項字節可以配置成是軟體或硬體啟動看門狗。在調試模式下，計數器可以被凍結。

　　5)窗口看門狗

　　窗口看門狗內有一個7位的遞減計數器，並可以設置成自由運行。它可以被當成看門狗用於在發生問題時復位整個系統。它由主時鐘驅動，具有早期預警中斷功能; 在調試模式下，計數器可以被凍結。

　　6)系統時基定時器

　　這個定時器是專用於實時作業系統，也可當成一個標準的遞減計數器。它具有下述特性：

　　(1)24位的遞減計數器

　　(2)自動重加載功能

　　(3)當計數器為0時能產生一個可屏蔽系統中斷

　　(4)可編程時鐘源

　　7)通用定時器的時鐘來源;

　　a：內部時鐘(CK_INT)

　　b：外部時鐘模式1：外部輸入腳(TIx)

　　c：外部時鐘模式2：外部觸發輸入(ETR)

　　d：內部觸發輸入(ITRx)：使用一個定時器作為另一個定時器的預分頻器

　　8)通用定時期內部時鐘的產生：

　　從截圖可以看到通用定時器(TIM2-7)的時鐘不是直接來自APB1，而是通過APB1的預分頻器以後才到達定時器模塊。

　　當APB1的預分頻器係數為1時，這個倍頻器就不起作用了，定時器的時鐘頻率等於APB1的頻率;

　　當APB1的預分頻係數為其它數值(即預分頻係數為2、4、8或16)時，這個倍頻器起作用，定時器的時鐘頻率等於APB1時鐘頻率的兩倍。

　

　　這裡要分析一下幾個概念，也是理解定時器的功能的核心概念，通用定時器有些類似於作業系統的定時器節拍，可以在定時器採用的時鐘源的基礎上再進行分頻，然後再設定溢出大小，進而實現定時的功能，當然自動重載功能更不再話下。

　　預分頻的功能是使定時器在APB時鐘的基礎上再一次分頻，使其獨立的運行。就像上述代碼中舉例，預分頻係數設定為36000-1，則表示該定時器的 時鐘頻率就變成了72MHz/36000 = 2KHz，而「計數溢出大小」可以理解為自動裝載數值，表示每隔x個計數溢出一次，可以產生1次中斷，當然這個頻率是經過預分頻後的頻率。

　　所以從上述的分析可知，定時器的定時時間計算為：

　　Tout = (TIM_Period+1)*(TIM_Prescaler+1)/72000000

　　在本程序案例中：Tout= 2000*36000/72000000=1s

　　需要注意的是，公式中的72000000的使用，是因為該定時器採用的時鐘源為72MHz，如果配置成別的時鐘源，則相應公式也應該改變。

　　另外TIM_ClockDivision為時鐘分割，這個簡單的講，就是定時器的數字濾波功能，設置成默認即可。