Системный таймер — SysTick

Мигая светодиодом мы создавали задержку заставляя контроллер обрабатывать цикл. Это никуда не годиться: во-первых, мы не можем контролировать время задержки, подбирать количество операций приходится вручную; во-вторых, микроконтроллер не может делать ничего полезного в это время. Для того, чтобы решить обе эти проблемы, следует использовать таймер.

Конкретно в предложенной реализации мы решим только первую проблему, подумайте, что нужно сделать, что бы решить вторую.

Подробнее о таймерах в целом, мы поговорим позже, а сейчас рассмотрим самый простой из них, SysTick, содержащийся в ядре Cortex-M микроконтроллера.

Данный таймер является 24-разрядным (т. е. может принимать значения от 0 до 2²⁴-1) и может отсчитывать вниз от заданного значения до нуля, после чего перегружается и генерирует прерывание. Так как таймер содержится в любом Cortex ядре, то его описание вынесено в документацию к ядру — Cortex-M3 Devices Generic User Guide, а все необходимые макросы (и даже функции) хранятся в файле core_<mcu>.h.

Таблица со списком регистров системного таймера, Cortex-M3 Devices: Generic User Guide, Table 4-32 System timer registers summary

Регистр контроля и статуса (SYST_CSR)

Как должно быть понятно из названия, данный регистр отвечает за контроль и статус таймера.

Структура регистра CSR

Регистр значения перезагрузки (SYST_RVR)

Данный регистр отвечает за то, какие значения будут выставлены при перегрузке таймера.

Структура регистра RVR

Как видно, из 32 бит используется 24, сюда можно записывать любое число от 0x00000001 до 0x00FFFFFF. Значение должно быть N-1, т.е. если вы хотите отсчитать 100 тактов, нужно указать 99.

Регистр с текущим состоянием (SYST_CVR)

В этом регистре хранится текущее значение таймера.

Структура регистра CVR

Регистр калибровки (SYST_CALIB)

Регистр хранит информацию о калибровке таймера.

Структура регистра CALIB

Так как таймер — часть ядра, то он входит в библиотеку CMSIS. Откройте файл core_<device>.h и найдите:

xxxxxxxxxx
typedef struct
{
  __IO uint32_t CTRL;
  /*! Offset: 0x000 (R/W) SysTick Control and Status Register */
  __IO uint32_t LOAD;
  /*! Offset: 0x004 (R/W) SysTick Reload Value Register       */
  __IO uint32_t VAL;
  /*! Offset: 0x008 (R/W) SysTick Current Value Register      */
  __IO  uint32_t CALIB;
  /*! Offset: 0x00C (R/ ) SysTick Calibration Register        */
} SysTick_Type;

Эта структура таймера. Ниже этой секции будут описаны маски для настройки, например:

xxxxxxxxxx
#define SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Pos 16

Итак, чтобы настроить таймер, нужно записать в нужные регистры то, что нас интересует. Допустим, частота тактирования нашего микроконтроллера 24 МГц, тогда:

xxxxxxxxxx
SysTick->LOAD = 24000000UL/1000 - 1; // Загрузка значения в 1 ms
SysTick->VAL  = 24000000UL/1000 - 1; // Устанавливаем текущее значение
// Настраиваем таймер
SysTick->CTRL= SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
               SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
               SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

Теперь нужно заглянуть в таблицу прерываний (startup_<device>.s):

xxxxxxxxxx
g_pfnVectors:
    .word   _estack
    .word   Reset_Handler
    .word   NMI_Handler
    .word   HardFault_Handler
    .word   MemManage_Handler
# ...
    .word   PendSV_Handler
    .word   SysTick_Handler
# ...

Мы знаем, как должна называться функция. Добавим её в main.c:

xxxxxxxxxx
void SysTick_Handler(void) {
  // Тут делаем что-то полезное
}

В core_<cpu>.h имеется функция для настройки таймера — SysTick_Config:

xxxxxxxxxx
__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
  if ((ticks - 1) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);
  /* Reload value impossible */
​
  SysTick->LOAD  = ticks - 1;
  /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1«__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
  /* set Priority for Systick Interrupt */ SysTick->VAL   = 0;
  /* 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 (0);
  /* Function successful */
}

Поэтому настройку таймера можно переписать следующим образом:

xxxxxxxxxx
SysTick_Config(64000000UL/1000);

Значение тактовой можно получить из переменной SystemCoreClock (объявлена в файле system_<device>.c). Перепишем строчку выше следующим образом:

xxxxxxxxxx
SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);

Добавьте вызов этой функции в mcu_init().

Теперь усовершенствуем нашу программу мигания светодиодом. Нам потребуется переменная под счетчик. Для чего? В нём будет храниться «глобальное время». Поскольку наш таймер генерирует прерывание каждую 1 мс, мы можем записывать в отдельный счетчик количество миллисекунд, которое прошло с момента подачи питания на МК.

xxxxxxxxxx
// utils.c
volatile uint32_t ticks_delay = 0;
// utils.h
extern volatile uint32_t ticks_delay;

Спецификатор volatile — принуждает компилятор не оптимизировать ваш код, а конкретно заставляет каждый раз считывать значение из адреса где хранится переменная, а не из какой-нибудь временной копии. Нужно это для потому, что значение переменной может быть изменено асинхронно программе, и данные будут просто утеряны. Если ticks_delay не будет обновляться, то программа застрянет в функции delay().

Далее в обработчике прерывания будем добавлять «1» к глобальному времени:

xxxxxxxxxx
void SysTick_Handler(void) {
  ticks_delay++;
}

Тогда функцию задержки можно реализовать очень просто (добавим её в utils.c) — запомнив время вызова функции, можно узнать, сколько времени она выполняется: если разница между текущим временем и временем запуска меньше заданного числа, то ждём, в противном случае выходим из цикла.

xxxxxxxxxx
void delay(const uint32_t milliseconds) {
    uint32_t start = ticks_delay;
    while((ticks_delay - start) < milliseconds);
}

Теперь цикл в main() можно переписать следующим образом:

xxxxxxxxxx
while(1) {
  led_toggle();
  delay(1000);
}

Код урока можно найти на github: CMSIS.

Назад | Оглавление | Дальше