单片机中各种周期的关系与定时器原理

查看全部 · 发表于 2018-12-13 23:26:24

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单片机周期关系

时钟周期：

时钟周期也叫振荡周期或晶振周期，即晶振的单位时间发出的脉冲数，一般有外部的振晶产生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒发出12000000个脉冲信号，那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系统时钟周期。是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示)，二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)。

机器周期：

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期(状态周期)组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期(状态周期)组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示)，二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)，8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

在标准的51单片机中，一般情况下，一个机器周期等于12个时钟周期，也就是机器周期=12*时钟周期，(上面讲到的原因)如果是12MHZ，那么机器周期=1微秒。单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。

机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。

但是在8051F310中，CIP-51 微控制器内核采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为 12-24MHz。而对于 CIP-51 内核，70%的指令的执行时间为 1或2个系统时钟周期，只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。所以在计算定时器的值时要注意这里的变化。

指令周期

指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

定时器的工作原理

系统时钟：

系统时钟：系统时钟就是CPU指令运行的频率，这个才是CPU真正的频率。

单片机内部所有工作，都是基于由晶振产生的同一个触发信号源，由这个信号来同步协调工作步骤，我们把这个信号称为系统时钟，系统时钟一般由晶振产生，但在单片机内部系统时钟不一定等于晶振频率，有可能小于晶振频率，也有可能大于晶振频率，具体是多少由单片机内部结构决定，正常情况和晶振频率会存在一个整数倍关系。系统时种是整个单片机工作节奏的基准，它每振荡一次，单片机就被触发执行一次操作。

一般来说,单片机只有一个时钟源.用了外部晶振,就不用内部RC,用了内部RC,就不用外部晶振.振荡器振荡,产生周期波.单片机在这样的周期波的作用一下有规律的一拍一拍的工作,波的频率越高,单片工作得就越快,波的频率越低,单片机工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正确的理解定时器的工作原理了，在8051F310单片机中，有3个定时器，如果定时器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的计时器，最大数值是65535,当再加1时(=65536)，就会发生溢出，产生中断，所以如果我们要它计1000个数，那么定时初值就是65536-1000，结果就是64536，这个值送给TH、TL，因为是16进制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一计数的时间是多久?一般我们取12M晶振时，一个周期刚好是1us，计数1000个就是1ms，这是因为标准的51单片机是12时钟周期的(STC有6时钟和1时钟方式)。那么，如果我们晶振是12M，就比较好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每个计数是2us，那么你要定时1ms就只要计数500个即可以。

定时器的初值跟定时器的工作方式，跟晶振频率都有关系。一个机器周期Tcy=晶振频率X12，计数次数N=定时时间t/机器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的数化成十六进制就行了。这里是用定时器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。这里有一个公式：

TH=(65536-time/(12/ft))/256

其中，time就是要延时的100ms(要取100000us)，ft是晶振频率。这个式子又可以简化成

TH=(65536-time*ft/12)/256

TL=(65536-time*ft/12)%6

在一本书上还看到了这样计算定时初值的：

TH0=-(50235/256); //重装100ms定时初值

TL0=-(50235%6); ///这里使用的6M晶体，

这里是6M晶体，延时100ms，那么按上面讲的原理，6M是每个计数为2us，100ms定时就是计数50000个。

那么，定时器初值要 65536-50000=15536，转成16进是3CB0。这就是要送给TH(=3C) 和TL(=B0)的值。
程序中写 TH0=-(50235/256);其实它是这样的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取负数，其结果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十进制的256)去减，结果是多少呢?结果就是3C。

以STM32F103为例，进行解析

STM32的TIM一般有高级定时器TIM1，(TIM8只有在互联性产品有)，普通定时器TIM2，TIM3，TIM4，(TIM5，TIM6，TIM7有点设备中没有)；今天就只介绍普通定时器，每一个普通定时器都有4路通道！

我们先看看这个逻辑图吧！我们今天先讨论讨论定时器的问题！我用红色笔标过的路线就是定时器的工作路线，时钟有内部时钟产生，到PSC哪里进行分频处理，然后CNT进行计数，上面还有一个自动重装载寄存器APP。

这个是分频器的工作原理，我们可以看，分频器设定之前分频系数为1[1]，后面的[2][3][4]分频系数为2，分频系数改变后，计数周期也跟着改变了；同时预分频设置生效时，他还会产生一个中断信号，这个中断信号不要管他，一个系统时钟周期后会自动消失，跟I2C的差不多！

这个是计数过程，上面说过了，计数跟分频后的周期有关；当计数达到装载的数值之后，系统会产生一个三个信号，其中溢出信号和更新事件一个时钟周期后会自动消失，而这时候触发了更新中断标志位UIF，我们可以用这个UPDATE来做定时器的中断标志信号！

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_UPDATE, ENABLE);

stm32f103xx器件功能与配置

3、stm32f103zet6 定时器

大容量的STM32F103XX增强型系列产品包含最多2个高级控制定时器、4个普通定时器和2个基本定时器，以及2个看门狗定时器和1个系统嘀嗒定时器。

下表比较了高级控制定时器、普通定时器和基本定时器的功能：
定时器功能比较

1）计数器三种计数模式

向上计数模式：从0开始，计到arr预设值，产生溢出事件，返回重新计时
向下计数模式：从arr预设值开始，计到0，产生溢出事件，返回重新计时
中央对齐模式：从0开始向上计数，计到arr产生溢出事件，然后向下计数，计数到1以后，又产生溢出，然后再从0开始向上计数。（此种技术方法也可叫向上/向下计数）

2）高级控制定时器（TIM1和TIM8）

两个高级控制定时器（TIM1和TIM8）可以被看成是分配到6个通的三三相PWM发生器，它具有带死区插入的互补PWM输出，还可以被当成完整的通用定时器。四个独立的通道可以用于：

（1）输入捕获
（2）输出比较
（3）产生PWM（边缘或中心对齐模式）
（4）单脉冲输出

配置为16位标准定时器时，它与TIMX定时器具有相同的功能。配置为16位PWM发生器时，它具有全调制能力（0~100%）。在调试模式下，计数器可以被冻结，同时PWM输出被禁止，从而切断由这些输出所控制的开关。很多功能都与标准的TIM定时器相同，内部结构也相同，因此高级控制定时器可以通过定时器链接功能与TIM定时器协同操作，提供步或事件链接功能。

3）通用定时器（TlMx）

STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增强型系列产品中，内置了多达4 个可同步运行的标准定时器（TIM2、TIM3、TIM4和TIM5）。每个定时器都有一个16位的自动加载递加/递减计数器、一个16位的预分频器和4个独立的通道，每个通道都可用于输入捕获、输出比较、PWM和单脉冲模式输出，在最大的封装配置中可提供最多16个输入捕获、输出比较或PWM通道。它们还能通过定时器链接功能与高级控制定时器共同工作，提供同步或事件链接功能。在调试模式下，计数器可以被冻结。任一标准定时器都能用于产生：PWM输出。每个定时器都有独立的DMA请求机制。

这些定时器还能够处理增量编码器的信号，也能处理1至3个霍尔传感器的数字输出。

4）基本定时器-TlM6和TIM7

这2个定时器主要是用于产生：DAC触发信号，也可当成通用的16位时基计数器。独立看门狗独立的看门狗是基于一个12位的递减计数器和一个8位的预分频器，它由一个内部独立的40kHz的RC振荡器提供时钟; 因为这个RC振荡器独立于主时钟，所以它可运行于停机和待机模式。它可以被当成看门狗用于在发生问题时复位整个系统，或作为一个自由定时器为应用程序提供超时管理。通过选项字节可以配置成是软件或硬件启动看门狗。在调试模式下，计数器可以被冻结。

5）窗口看门狗

窗口看门狗内有一个7位的递减计数器，并可以设置成自由运行。它可以被当成看门狗用于在发生问题时复位整个系统。它由主时钟驱动，具有早期预警中断功能; 在调试模式下，计数器可以被冻结。

6）系统时基定时器

这个定时器是专用于实时操作系统，也可当成一个标准的递减计数器。它具有下述特性：

（1）24位的递减计数器
（2）自动重加载功能
（3）当计数器为0时能产生一个可屏蔽系统中断
（4）可编程时钟源

7）通用定时器的时钟来源;

a：内部时钟（CK_INT）
b：外部时钟模式1：外部输入脚（TIx）
c：外部时钟模式2：外部触发输入（ETR）
d：内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器

8）通用定时期内部时钟的产生：

从截图可以看到通用定时器（TIM2-7）的时钟不是直接来自APB1，而是通过APB1的预分频器以后才到达定时器模块。
当APB1的预分频器系数为1时，这个倍频器就不起作用了，定时器的时钟频率等于APB1的频率；
当APB1的预分频系数为其它数值（即预分频系数为2、4、8或16）时，这个倍频器起作用，定时器的时钟频率等于APB1时钟频率的两倍。

这里要分析一下几个概念，也是理解定时器的功能的核心概念，通用定时器有些类似于操作系统的定时器节拍，可以在定时器采用的时钟源的基础上再进行分频，然后再设定溢出大小，进而实现定时的功能，当然自动重载功能更不再话下。

预分频的功能是使定时器在APB时钟的基础上再一次分频，使其独立的运行。就像上述代码中举例，预分频系数设定为36000-1，则表示该定时器的时钟频率就变成了72MHz/36000 = 2KHz，而“计数溢出大小”可以理解为自动装载数值，表示每隔x个计数溢出一次，可以产生1次中断，当然这个频率是经过预分频后的频率。

所以从上述的分析可知，定时器的定时时间计算为：

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，是因为该定时器采用的时钟源为72MHz，如果配置成别的时钟源，则相应公式也应该改变。

另外TIM_ClockDivision为时钟分割，这个简单的讲，就是定时器的数字滤波功能，设置成默认即可。

单片机中各种周期的关系与定时器原理

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