《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》 課件 項目2 利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務(wù)驅(qū)動，突出學(xué)以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計”→“應(yīng)用層程序設(shè)計”→“學(xué)以致用與創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓(xùn)教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應(yīng)用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用

UART

實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設(shè)計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

在項目1中實現(xiàn)的小燈閃爍程序采用了完全軟件延時方式，即利用循環(huán)計數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)軟件延時功能?！卷椖繉?dǎo)讀】

該方式有兩大缺點：

①軟件延時一般用于粗略延時的場合；

②執(zhí)行延時子程序期間，CPU一直被占用而不能做其他事情，從而降低了CPU的利用率。項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

為此，可使用MCU內(nèi)部可編程的定時/計數(shù)器實現(xiàn)延時。用戶根據(jù)需要設(shè)置定時時間，并啟動定時/計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)定時時間到時，它將自動產(chǎn)生一個定時輸出信號（通常是中斷請求信號）告知CPU，使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷服務(wù)程序，從而實現(xiàn)某些定時功能。定時/計數(shù)器在計數(shù)期間，與CPU并行工作，不占用CPU的工作時間。該方式通過簡單的程序設(shè)置即可實現(xiàn)準(zhǔn)確的定時?！卷椖繉?dǎo)讀】

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）理解定時器的定時原理。（2）理解中斷的通用知識，包括中斷的基本概念、基本過程及管理機制。（3）熟悉MCU內(nèi)部定時器的功能特性，掌握MCU內(nèi)部定時器底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法。（4）學(xué)會利用MCU內(nèi)部定時中斷功能實現(xiàn)頻閃燈或流水燈的應(yīng)用層程序設(shè)計方法。*（5）熟悉MCU內(nèi)部定時器底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設(shè)計方法。項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈任務(wù)2.1理解定時器的定時原理定時器本質(zhì)上是一個對計數(shù)時鐘進(jìn)行周期統(tǒng)計的計數(shù)器。

在上圖中，計數(shù)器采用增1計數(shù)。計數(shù)器從初值0開始計數(shù)，每經(jīng)過一個計數(shù)時鐘周期，計數(shù)器的值就加1，若計數(shù)器的值達(dá)到終值4，則在下一個時鐘到來時，計數(shù)器溢出，計數(shù)器的值恢復(fù)至初值0，然后進(jìn)行下一輪的加1計數(shù)，如此重復(fù)。

定時器每一輪的定時時間t=

計數(shù)次數(shù)×計數(shù)時鐘周期

在上圖中，一輪的計數(shù)次數(shù)是5，若計數(shù)時鐘頻率為1kHz（計數(shù)時鐘周期為1ms），則一輪的定時時間為5ms。任務(wù)2.1理解定時器的定時原理對于n位（二進(jìn)制）定時/計數(shù)器，計數(shù)器的終值最大值為2n－1，結(jié)合上圖，定時/計數(shù)器一輪計數(shù)次數(shù)最大值為2n。n位定時/計數(shù)器一輪的最大定時時間t：

t=2n×計數(shù)時鐘周期

=2n/計數(shù)時鐘頻率

f若

f=

時鐘源頻率/分頻系數(shù)，則

t=2n/(時鐘源頻率/分頻系數(shù))

【學(xué)以致用】

若定時器為16位，其時鐘源頻率為f，分頻系數(shù)為p，則一輪定時時間的范圍是多少？任務(wù)2.1理解定時器的定時原理

當(dāng)計數(shù)器溢出時，定時器可向CPU發(fā)出中斷請求信號，使CPU暫停當(dāng)前的工作，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)具體的定時功能（如改變小燈的狀態(tài)等）。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念1、中斷的含義

中斷，是指MCU在正常運行程序時，由于MCU內(nèi)核異常（內(nèi)核中斷）或

MCU各功能模塊發(fā)出請求事件（非內(nèi)核中斷），使MCU停止正在運行的程序，而轉(zhuǎn)去處理異常（使芯片復(fù)位或使MCU做出其他處理）或

執(zhí)行處理內(nèi)核外部事件的程序（中斷服務(wù)程序）。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念2、中斷源、中斷向量表

引起MCU中斷的事件稱為中斷源。MCU的中斷源分為兩類：內(nèi)核中斷源和非內(nèi)核中斷源。

STM32F103C8T6的中斷源見表2-1。

中斷向量號是每個中斷源的固定編號。中斷向量表是指按照中斷源的中斷向量號的固定順序，用于存放中斷服務(wù)程序入口地址（中斷向量）的一段連續(xù)存儲區(qū)域。

IRQ中斷號是每個中斷源的另一個編號，每一個編號代表一個中斷源。在芯片頭文件stm32f10x.h中，使用一個枚舉類型實現(xiàn)了IRQ中斷號的編排。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念

在進(jìn)行MCU設(shè)計時，一般都定義了中斷源的優(yōu)先級。MCU在程序執(zhí)行過程中，若有兩個以上的中斷同時發(fā)生，則優(yōu)先級最高的中斷源最先得到響應(yīng)。

3、中斷優(yōu)先級、可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷，是指可通過編程方式關(guān)閉的中斷。不可屏蔽中斷，是指不能通過編程方式關(guān)閉的中斷。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.2中斷的基本過程1、中斷請求

當(dāng)某一中斷源需要CPU為其服務(wù)時，它會將對應(yīng)中斷源的中斷標(biāo)志位置1，以便向CPU發(fā)出中斷請求信號。2、中斷檢測、中斷響應(yīng)和中斷處理

當(dāng)CPU檢測到有中斷請求并響應(yīng)中斷請求時，首先保護現(xiàn)場（將CPU內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)依次壓入RAM堆棧中）；然后從目前等待的中斷源中取出優(yōu)先級最高中斷源的中斷向量，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；最后恢復(fù)現(xiàn)場（從RAM堆棧依次彈出CPU內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)）、中斷返回（返回到中斷前的程序）。說明：上述過程是由系統(tǒng)自動完成的，用戶只需專注于主程序和中斷服務(wù)程序的設(shè)計。

【理解概念、觸類旁通】

舉出日常生活中利用中斷思想處理事情的例子。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.3

CM3的非內(nèi)核模塊中斷管理機制1、CM3的中斷結(jié)構(gòu)及中斷過程

CM3的中斷結(jié)構(gòu)由模塊中斷源、嵌套向量中斷控制器（NestedVectoredInterruptController，NVIC）和

CM3內(nèi)核組成。

中斷過程分兩步：首先，模塊中斷源向NVIC發(fā)出中斷請求信號；然后，NVIC對發(fā)來的中斷信號進(jìn)行管理，判斷該中斷是否使能，若使能，則通過私有外設(shè)總線發(fā)送給CM3內(nèi)核，由內(nèi)核進(jìn)行中斷處理。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.3

CM3的非內(nèi)核模塊中斷管理機制2、非內(nèi)核中斷使能（或禁止）配置步驟

若要使能一個非內(nèi)核中斷，則需要對其進(jìn)行使能配置：

①將模塊中斷使能位置1，使模塊能夠發(fā)出中斷請求信號；

②調(diào)用內(nèi)核頭文件core_cm3.h中的NVIC_EnableIRQ函數(shù)，允許模塊的中斷請求。

若要禁止一個非內(nèi)核中斷，則首先將模塊中斷使能位清零，禁止該模塊發(fā)出中斷請求信號；然后調(diào)用內(nèi)核頭文件core_cm3.h中的NVIC_DisableIRQ函數(shù)，禁止模塊的中斷請求。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法1、MCU的Timer的數(shù)量和功能特性

在STM32F103C8T6中，有4個16位的定時器（Timer）：TIM1~TIM4，均具有基本定時、脈寬調(diào)制（PWM）、輸入捕獲和輸出比較等多種功能。

4個定時器均有以下3種計數(shù)模式：

（1）向上計數(shù)：從0遞增計數(shù)到模值（計數(shù)終值），生成上溢事件，然后重新從0開始遞增計數(shù)。

（2）向下計數(shù)：從模值（計數(shù)初值）遞減計數(shù)到0，生成下溢事件，然后重新從模值開始遞減計數(shù)。

（3）向上/向下雙向計數(shù)：從0遞增計數(shù)到模值-1，生成上溢事件；然后從模值遞減計數(shù)到1，生成下溢事件。之后，計數(shù)器從0開始重新計數(shù)。

【學(xué)以致用】結(jié)合圖2-1，分別畫出定時器在計數(shù)初值為5時對應(yīng)的向下計數(shù)模式示意圖

和

定時器在計數(shù)初值為0、模值為5時對應(yīng)的向上/向下雙向計數(shù)模式示意圖。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法1、MCU的Timer的數(shù)量和功能特性

利用定時器實現(xiàn)基本定時功能時，一般采用向上或向下計數(shù)模式。對于16位定時器，一輪計數(shù)次數(shù)最大值為65536。根據(jù)定時器原理，在時鐘源頻率、分頻系數(shù)確定的情況下，可計算出定時器一輪的定時時間范圍。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件由timer.h頭文件和timer.c源文件組成，若要使用Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對Timer的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，timer.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而timer.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉timer.h頭文件的內(nèi)容，即可使用Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法【學(xué)以致用】

根據(jù)timer.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）對定時器TIMER1進(jìn)行基本定時功能初始化，定時時間10ms。

（2）使能定時器TIMER1的更新中斷。

（3）獲取定時器TIMER1的更新標(biāo)志。

（4）清除定時器TIMER1的更新標(biāo)志。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.2利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)小燈閃爍的效果。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

初始化，指定定時器的定時時間；使能定時器更新中斷在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結(jié)】

畫出上述程序的設(shè)計和執(zhí)行流程圖，總結(jié)使用中斷的嵌入式應(yīng)用層程序設(shè)計方法。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：在定時中斷服務(wù)程序中，實現(xiàn)定時功能

使用中斷的嵌入式應(yīng)用層程序，一共有兩條獨立的程序運行線，一條是main.c文件中的主程序運行路線，另一條是isr.c文件中的中斷程序運行線。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.2利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義全局變量；初始化；根據(jù)全局變量的值，控制外設(shè)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）改變小燈閃爍的頻率，控制其他小燈閃爍。

（2）實現(xiàn)流水燈（如多個小燈輪流點亮）的效果。

（3）使用其他定時器獲得相同的效果。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：聲明全局變量；實現(xiàn)定時功能（更新全局變量的值）【程序改進(jìn)，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性】任務(wù)2.4利用內(nèi)核定時器（SysTickTimer）中斷實現(xiàn)頻閃燈2.4.1SysTick的功能特性及其底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

ARMCortex-M內(nèi)核中包含了一個簡單的定時器SysTickTimer，又稱為“滴答”定時器。SysTick定時器被捆綁在NVIC中，有效位數(shù)是24位（計數(shù)次數(shù)最大值為224），采用減1計數(shù)的工作方式，當(dāng)減1計數(shù)到0時，可產(chǎn)生SysTick異常（中斷）。1、SysTick定時器的功能特性

SysTick定時器的計數(shù)時鐘頻率有兩種選擇：AHB總線時鐘頻率（內(nèi)核時鐘頻率）；AHB總線時鐘頻率/8。

SysTick定時器的定時時間t=計數(shù)次數(shù)（滴答數(shù)）/

計數(shù)時鐘頻率

=（1~224）/

計數(shù)時鐘頻率

若使用AHB總線時鐘頻率64MHz，則定時時間（ms級）的合理范圍為1~262ms。任務(wù)2.4利用內(nèi)核定時器（SysTickTimer）中斷實現(xiàn)頻閃燈2.4.1SysTick的功能特性及其底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、SysTick定時器底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

SysTick定時器底層驅(qū)動構(gòu)件由systick.h頭文件和systick.c源文件組成，若要使用SysTick定時器底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對S