4.1 定时器原理与寄存器配置

4.1 定时器原理与寄存器配置

第 3 章结尾留了一个尾巴：busy_delay 靠 CPU 空转凑时间，又慢又不准。这一节让硬件定时器接管时间——它是个自动数节拍的计数器，数满了还能主动打断 CPU。掌握 PSC 与 ARR 的换算数学、更新中断的配置链和看门狗的守时机制，你就拥有了嵌入式系统里最可靠的时间基准。

计数器的数学：两步算出任意周期

定时器的骨架是一条三级流水：输入时钟先过预分频器 PSC，得到滴答频率；计数器 CNT 每个滴答加一，加到自动重装值 ARR 就溢出归零，同时产生更新事件。溢出频率（即中断周期）的公式：

溢出频率 = 定时器输入频率 / [(PSC+1) × (ARR+1)]

已知 STM32F103 定时器时钟 72 MHz，想要 10 ms 周期（100 Hz）：
第 1 步选 PSC：72 MHz / (PSC+1) = 滴答频率，取 PSC=7199 → 滴答 10 kHz（每滴答 0.1 ms）
第 2 步算 ARR：100 Hz = 10 kHz / (ARR+1) → ARR+1 = 100 → ARR = 99

注意两个 +1：寄存器值比实际分频/计数少一，因为硬件从 0 开始数。
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16 位上限是这条公式的紧约束：PSC 和 ARR 都是 16 位（最大 65535），单级分频的周期上限是 65536×65536/72MHz ≈ 59.6 秒，一般够用；要更长周期就上 STM32 的 32 位定时器（TIM2/TIM5 在部分型号）或在中断里软累计。反向的教训是参数不唯一：同样是 10 ms，PSC=71、ARR=99999 会溢出吗？会——ARR 超 16 位，写入被截断成 0x863F，周期完全错乱。拆分原则：PSC 尽量大、让 ARR 落在好算的整数附近，两步都核对是否越过 65535。

配置 TIM3 产生 10 ms 更新中断

把数学落成代码。从时钟使能到 ISR 清标志，完整链条六步：

#include "stm32f10x.h"

volatile uint32_t g_ticks_10ms = 0;   /* 硬件/ISR 会改写的变量必须 volatile */

void tim3_init_10ms(void)
{
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;      /* TIM3 挂在 APB1：使能位在这边 */

    TIM3->PSC = 7200 - 1;                    /* 72 MHz / 7200 = 10 kHz 滴答 */
    TIM3->ARR = 100 - 1;                     /* 100 滴答 = 10 ms 溢出一次 */

    TIM3->DIER |= TIM_DIER_UIE;              /* 允许更新中断 */
    NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 2);           /* 抢占优先级 2：低于按键中断 */
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);

    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;                /* 计数器启动 */
}

void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) {             /* 确认是更新中断 */
        TIM3->SR = ~TIM_SR_UIF;              /* 写 0 清标志（SR 多数位写 0 清除）*/
        g_ticks_10ms++;                      /* 节拍累计：全系统的时间基准 */
    }
}
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这个 10 ms 节拍立刻能兑现第 3 章的承诺——把按键状态机消抖喂起来：

int main(void)
{
    led_pb5_init();        /* 第 3 章的 LED 初始化 */
    key_pa0_init();        /* 第 3 章的按键初始化 */
    tim3_init_10ms();      /* 本节的节拍发生器 */

    while (1) {
        /* 每 10 ms 扫描一次按键；消抖状态机见 3.2 节 */
        static uint32_t last = 0;
        if (g_ticks_10ms != last) {
            last = g_ticks_10ms;
            if (key_scan_tick()) {
                GPIOB->ODR ^= (1UL << 5);    /* 确认一次按压，翻转 LED */
            }
        }
        /* 主循环还可以干别的事：节拍由中断累计，这里永不阻塞 */
    }
}
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对比 3.2 节的 busy_delay 版本，变化是本质性的：CPU 的时间不再被延时吞掉，主循环随时能插入新任务；闪烁周期精确到定时器精度（晶振级），与代码执行时间无关；新增功能只是往主循环里加代码，不用重新算延时。"中断给节拍、主循环跑逻辑"是裸机程序的黄金架构，第 6 章的 RTOS 不过是把这套模式推到极致。

ISR 纪律：快进快出，只做必要的事

TIM3_IRQHandler 里只有两行，这不是偷懒，是纪律。中断服务函数的执行时间决定系统最坏响应延迟：ISR 跑 5 ms，意味着任何更低优先级的中断至少晚 5 ms。所以 ISR 里只做三类事：清标志、置标志或累计计数、往缓冲区/队列塞数据。凡是耗时的（串口打印、复杂计算、延时等待）一律搬到主循环或任务里做。这条纪律在第 6 章 RTOS 里会升级成硬规则——FreeRTOS 的许多 API 根本不允许在 ISR 里调用非 FromISR 版本。

另一个高频翻车点是标志清除方式。TIM 的 SR 寄存器多数位是"写 0 清除"，而 EXTI 的 PR 是"写 1 清除"——两个约定相反，写反了轻则标志清不掉（中断风暴），重则误清别人的标志。拿不准时查参考手册的寄存器表格，那一栏"clear by writing 0/1"永远值得多看一眼。

主频一改，全盘重算：把公式练成条件反射

时钟数学有个讨厌的特性：主频一改，所有 PSC/ARR 全部重算。从 72 MHz 的 F103 换到 168 MHz 的 F4，或 ESP32 的 80 MHz 外设定时器时钟，同样的 10 ms 周期参数完全不同。与其死记"72 MHz 时 PSC=7199"，不如记住推导路径：先定滴答粒度（取一个整得好算的值，如 10 us），再除出 PSC，最后用目标周期除以粒度得到 ARR。72 MHz 想要 10 us 粒度：PSC = 72 − 1；100 ms 周期：ARR = 10000 − 1。换 168 MHz？PSC = 168 − 1，ARR 不变。把粒度固定的好处是所有周期换算只动 ARR 一处，参数表立即可读。

独立看门狗：给守时上一道保险

定时器管"按点干活"，看门狗管"没按点干活就重启"。独立看门狗 IWDG 有专属的低速时钟（40 kHz 的 LSI），主时钟崩了它照转；它从装载值往下数，数到零就复位芯片，程序必须定期"喂狗"重装计数。这让"程序跑飞"从无限滞留变成一次可预期的重启：

void iwdg_init_500ms(void)
{
    IWDG->KR  = 0xCCCC;               /* 启动看门狗，LSI 40 kHz 自动开启 */
    IWDG->KR  = 0x5555;               /* 解除寄存器写保护 */
    IWDG->PR  = 2;                    /* 分频 8：滴答 = 40 kHz / 8 = 5 kHz */
    IWDG->RLR = 2500 - 1;             /* 2500 滴答 = 500 ms：超时即复位 */
    IWDG->KR  = 0xAAAA;               /* 喂狗，重装计数 */
}

/* 主循环每圈喂一次；喂狗间隔必须稳定小于 500 ms，
   否则说明某处卡死——这正是我们想要的行为。 */
void feed_dog(void)
{
    IWDG->KR = 0xAAAA;
}
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喂狗周期的选择体现工程智慧：太短，正常代码偶尔慢一点（OTA 擦写 Flash 时 CPU 停顿几百毫秒很正常）就被误杀重启；太长，真卡死时恢复太慢。常见做法是"正常耗时 × 3 到 5 倍"，并且在已知的耗时操作（擦 Flash、深睡唤醒）前临时喂一次。看门狗是嵌入式可靠性的底线配置，量产固件不开看门狗等于裸奔。

从节拍到测量：定时器的隐藏技能

同一套计数硬件还能反向使用——测量外部事件的时长。把输入捕获通道对准一个脉冲信号，上升沿记下 CNT 值、下降沿再记一次，两次差值乘以滴答时长就是脉宽；超声波测距模块的回波高电平正是这么量的。定时器还能级联：一个定时器的溢出事件当下一个的输入时钟，把 16 位扩成 32 位。这些用法换了寄存器名字，内核仍是"PSC 分频、CNT 计数"这套数学——学透本节，STM 十几个定时器的手册对你来说只是同一篇文章的不同排版本。

下一节让计数器走出中断世界：PWM 输出路径上，比较器每滴答和 CCR 比一次，方波从引脚自动流淌——呼吸灯的舞台就搭好了。