4.3 定时器与计数器：时间的刻度尺

4.3 定时器与计数器：时间的刻度尺

本节摘要：定时器是单片机世界里唯一定义的"时间刻度尺"：把时钟节拍经预分频后逐拍计数，计到设定值就触发事件。本节讲透"预分频 + 计数 + 比较"这个所有定时器共通的骨架模型，展开定时中断、PWM 输出、输入捕获三大玩法，并用呼吸灯与舵机的算例把公式落成手感。定时器是前面时钟知识的最大买主，也是后面中断体系最常打交道的触发源。

一切精确时间都从数拍子开始

软件延时的误差在 3.2 节已经领教过：中断一插、流水线一抖，毫秒级延时就会漂移。精确时间的唯一可靠来源是硬件计数：晶振每秒给出稳定的节拍，定时器像个一丝不苟的计数员，来一拍数一个数，数到设定值就报告。因为节拍源头是晶振，计数的每一"步"都精确可知——这就是为什么产品级代码里的定时任务、通信波特率、脉宽测量，全都落在定时器上。

通用骨架：预分频、计数器、比较器

市面定时器型号繁杂，但骨架高度一致，三个部件构成模型的核心：

**预分频器（PSC）**决定"多少个时钟拍算一步"。72MHz 的时钟配预分频 71，即 72 拍算一步，计数步频变成 1MHz——每步恰好 1 微秒。**计数器（CNT）**从 0 数到自动重装值（ARR）后归零重来（向上计数模式），像手表的秒针循环。比较器时刻盯着计数值，与捕获比较寄存器（CCR）相等时触发动作：可以触发中断、可以翻转引脚、可以把引脚拉高拉低。

三个寄存器联合决定一切时间参数，两个公式吃遍天下：

定时周期 = (ARR + 1) × (PSC + 1) / 定时器时钟
PWM 占空比 = CCR / (ARR + 1)
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算例一：要 500ms 定时中断，时钟 72MHz。选 PSC = 7199（步频 10kHz，每步 0.1ms），则 ARR = 5000 - 1，周期恰为 5000 步即 500ms。算例二：要 1kHz PWM、占空比 25%：选 PSC = 0，ARR = 71（步频 72MHz，周期 72 拍即 1kHz）；CCR = 18，占空比 18/72 = 25%。先定步频颗粒度、再定循环长度、最后算比较值——三步走，任何定时需求都能落进公式。

/* 定时器配置：1ms 中断节拍（72MHz 时钟） */
TIM2->PSC = 7200 - 1;                /* 步频 10kHz */
TIM2->ARR = 10 - 1;                  /* 数 10 步 = 1ms */
TIM2->DIER = TIM_DIER_UIE;           /* 允许更新中断 */
TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;             /* 启动计数 */
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);           /* 打开中断通道（第5章详述） */
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图 4-2：定时器骨架模型与 PWM 生成原理

三大玩法：定时、PWM、捕获

玩法一：定时中断。 周期时间到触发中断，主循环外的一切"准点任务"都靠它：系统节拍（RTOS 的心跳）、按键扫描、显示刷新。它是第 5 章中断体系的第一大客户。

玩法二：PWM 输出。 比较器直接控制引脚电平：计数小于 CCR 输出高、越过则输出低，硬件全自动。PWM 是单片机控制功率世界的万能语——LED 调光（平均电流随占空比变化）、电机调速、舵机角度（脉宽 1 到 2ms 对应 0 到 180 度）、开关电源的调节量。改一个寄存器就连续改变输出功率，这行云流水的体验全部来自硬件自动化。

玩法三：输入捕获。 反过来用：引脚上的边沿到来时，硬件把当前计数值"拍快照"存进捕获寄存器。两次快照相减，就得到外部脉冲的宽度或周期——超声波测距模块的回波脉宽、红外遥控的编码脉冲、风扇转速信号，全靠捕获测量。它是"用时间刻度尺量外部世界"的那一半功能，与 PWM 的"用刻度尺给世界定形"正好互补。

计数器之外：定时器的硬件滤镜

定时器家族还有两员值得点名。独立看门狗本质是一个只能喂不能停的倒计时器，时钟来自独立低速振荡器，与主时钟树彻底隔离——主时钟崩了它照跑，这就是它能"监护主时钟"的资格来源，7.2 节细讲用法。**实时时钟（RTC）**是一个以 32.768kHz 晶振驱动的超低速计数器，走的是日历时间（秒、分、时、天），由备份电池域供电——整机断电它也在走。32.768 这个奇怪的数字是 2 的 15 次方，经过 15 级二分频恰好得到 1Hz，是手表行业传下来的遗产。定时器家族的分工图谱由此完整：SysTick 管毫秒节拍、通用定时器管微秒级精确控制、RTC 管日历、看门狗管保命——四个时间尺度、四种职责，各用各的。初学者最常见的混乱是把这四种定时器混为一谈，选错对象后怎么配都不对。

完整案例：呼吸灯的完整推导

背景：让 LED 呈现呼吸般的渐亮渐暗。操作：选 PWM 频率 1kHz（高于人眼闪烁融合频率即可），ARR = 71、CCR 从 0 渐增到 71 再渐减，每 5ms 调整一档，一个呼吸周期约 0.72 秒。结果：LED 亮度肉眼可见地平滑起伏，无闪烁、无台阶感。解读：占空比改变的是 LED 平均电流，人眼对平均亮度响应平滑；PWM 频率足够高时人眼察觉不到开关过程。变式：若调光出现可闻啸叫，是 PWM 频率落进了听觉范围（LED 驱动电路的陶瓷电容在唱歌），把频率提到 20kHz 以上即可；若渐变有台阶感，是因为低占空比区段人眼对亮度变化更敏感，用指数曲线代替线性递增能显著改善——这两个变式是呼吸灯项目里最高频的两个返工点。

定时器家族与选用

一颗 STM32 的定时器少则三四个、多则二十来个，分工有讲究：高级定时器带互补输出与死区插入，是驱动半桥电机与逆变的专业户；通用定时器具备本节全部功能，是日常主力；基本定时器只会定时，专供触发 ADC 或产生时基；** SysTick** 是内核自带的 24 位节拍器，操作系统心跳的标配；看门狗定时器则完全独立成章（第 7 章专讲）。选用原则：先看功能需求（要不要互补输出、要不要捕获），再排资源（高速任务占高级定时器，简单节拍用基本定时器），最后核对引脚映射——定时器通道与具体引脚的对应关系在数据手册的复用表里定死，选错通道要换引脚重配。

可复现小实验：用输入捕获测一个未知频率

把捕获玩法落成一堂十分钟的小实验，材料只要一块板加一个信号源（另一块板输出的 PWM 即可）。第一步，选定时器与通道，把捕获配置成"上升沿捕获"，先开捕获中断。第二步，记录相邻两次上升沿的计数值快照，相减得到周期计数值 N。第三步，换算频率：定时器计数时钟若为 1MHz（72MHz 经预分频 72 分频），则被测频率 = 1000000 / N。第四步，处理溢出：若被测频率低到计数器中途溢出（ARR 循环了一整圈），快照相减会得到负数或异常大值——给计数器溢出中断计数、把它加进差值即可，这是本实验真正的教学点：时间量测量永远要回答"跨了几个循环"。验证环节拿另一块板输出 1kHz PWM，实测读数在 999 到 1001Hz 之间跳动，抖动来自两块板晶振的百万分之几十偏差——顺手复习了 2.3 节的时钟精度。实验全程不占 CPU，主循环该干嘛干嘛，这正是硬件捕获相对软件查询的价值宣言。

本节要点回顾

• 骨架模型三件套：预分频定步频、计数器循环、比较器触发，两个公式吃遍定时需求。
• 先颗粒后长度：先定每步时长（颗粒度），再定循环长度，最后算比较值——顺序别乱。
• PWM 是硬件自动翻转：改 CCR 调占空比、改 ARR 调频率，CPU 零参与，稳定性碾压软件翻转。
• 输入捕获是反向用尺：硬件快照边沿时刻，两快相减得脉宽周期。
• 体系位置：定时器每"到期"都要通知系统——通知机制就是下一章的主角：中断。