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[嵌入式]【STM32】标准库与HAL库对照学习教程四--延时函数详解

一、前言

我们在单片机中用的延时基本分为三种，循环延时、SysTick滴答定时器延时、SysTick滴答定时器中断延时，循环延时就是让CPU不断while循环，while循环完后，在执行下面的程序，while循环的时间，就是延时的时间，这样的方式不仅占用CPU资源而且不好控制延时时间，因此无论是标准库还是HAL库一般都使用STM32芯片上的SysTick滴答定时器完成延时。

二、前期准备

STM32开发板（我使用的是普中的STM32F103ZE的Z200系列）（非必要）
STM32cubemx、Keil5（MDK）
开发板原理图（非必要）

三、SysTick定时器介绍

1、SysTick定时器简介

SysTick定时器也叫SysTick滴答定时器，它是Cortex-M3内核的一个外设，被嵌入在NVIC中。它是一个24位向下递减的定时器，每计数一次所需时间为1/SYSTICK，SYSTICK是系统定时器时钟，它可以直接取自系统时钟，还可以通过系统时钟8分频后获取。当定时器计数到0时，将从LOAD 寄存器中自动重装定时器初值，重新向下递减计数，如此循环往复。如果开启SysTick中断的话，当定时器计数到0，将产生一个中断信号。因此只要知道计数的次数就可以准确得到它的延时时间。

2、SysTick定时器寄存器介绍

（1） CTRL寄存器

CTRL是SysTick定时器的控制及状态寄存器。其相应位功能如下：
在这里插入图片描述

（2）LOAD寄存器

LOAD是SysTick定时器的重装载数值寄存器。其相应位功能如下：
在这里插入图片描述

（3）VAL寄存器

VAL是SysTick定时器的当前数值寄存器。其相应位功能如下：
在这里插入图片描述

（4）CALIB寄存器

CALIB是SysTick定时器的校准数值寄存器。其相应位功能如下：
在这里插入图片描述

汇总一下：

寄存器	描述
CTRL	SysTick 控制和状态寄存器
LOAD	SysTick 重装载值寄存器
CALIB	SysTick 校准值寄存器

3、SysTick定时器的时钟来源

其在时钟树的位置：
在这里插入图片描述

可以看到SysTick定时器的时钟来源由系统频率SYSCLK经过AHB分频，在经过8分频（可选择）得到。

有关时钟树的讲解可以看这篇文章：【STM32】STM32标准库与HAL库对照学习教程特别篇–系统时钟RCC详讲

5、SysTick定时器配置步骤

SysTick定时器的操作大致可以分为 4 步：
（1）设置SysTick定时器的时钟源。
（2）设置SysTick定时器的重装初始值（如果要使用中断的话，就将中断使能打开）。
（3）清零SysTick定时器当前计数器的值。
（4）打开SysTick定时器。

四、标准库的延时

1、标准库的配置步骤

（1）复制上一讲的工程，并命名为4、SysTick定时器延时。
在这里插入图片描述

（2）在工程中新建Public文件夹，表明是里面保存的是通用的程序。
在这里插入图片描述

（3）在Public文件夹内建立Delay文件夹，用来保存SysTick定时器的程序。
在这里插入图片描述

（4）打开工程，新建两个文件并命名为：Delay.h和Delay.c，保存在刚建立的Delay文件夹内。
①
在这里插入图片描述
②

（5）添加文件到目录并添加文件路径。
①
在这里插入图片描述
②

（6）使用SysTick定时器要添加misc.c文件。
在这里插入图片描述

2、SysTick定时器配置程序

Delay.h的程序：

#ifndef DELAY_H_
#define DELAY_H_

#include "stm32f10x.h"

//1s=1000ms=1000000us
void SysTick_Init(u8 SYSTICK);  //SysTick时钟初始化函数
void Delay_us(u32 nus);          //微秒级延时函数  
void Delay_ms(u32 nus);          //毫秒级延时函数

#endif

Delay.c的程序：

#include "Delay.h"

static u16 fac_us;   //计fac_us个数为1us - SysTick时钟频率
static u32 fac_ms;   //计fac_ms个数为1ms

/*************************************************
*函数名：     SysTick_Init
*函数功能：   SysTick定时器初始化
*输入：       SYSTICK：自己配置的系统时钟，没有配置时，默认配置是72M。 
*返回值：     无
**************************************************/
void SysTick_Init(u8 SYSTICK)
{
	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8); //选择8分频
	fac_us = SYSTICK/8;     //因为进行了8分频
	fac_ms = (u16)fac_us*1000; 
	
}

/*************************************************
*函数名：     Delay_us
*函数功能：   微秒级延时函数
*输入：       nus：延时的微秒数
							注意:nus的值,不要大于798915us(最大值即2^24/fac_us@fac_us=21)
*返回值：     无
**************************************************/
void Delay_us(u32 nus)
{
	u32 temp;                     //储存CTRL寄存器的值
	SysTick->LOAD = nus*fac_us;   //设置要数到值
	SysTick->VAL  = 0x00;         //清空计数器的值
	SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //SysTick定时器使能
	do
	{
		temp = SysTick->CTRL;
	}while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16))); //判断是否计数到达
	
	SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  //SysTick定时器失能
	SysTick->VAL  = 0x00;         //清空计数器的值
}

/*************************************************
*函数名：      Delay_ms 
*函数功能：    毫秒级延时函数
*输入：        nus：延时nus毫秒
*返回值：      无
**************************************************/
void Delay_ms(u32 nus)
{
	u32 temp;                     //储存CTRL寄存器的值
	SysTick->LOAD = nus*fac_ms;   //设置要数到值
	SysTick->VAL  = 0x00;         //清空计数器的值
	SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //SysTick定时器使能
	do
	{
		temp = SysTick->CTRL;
	}while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16))); //判断是否计数到达
	SysTick->CTRL &=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  //SysTick定时器失能
	SysTick->VAL  = 0x00;         //清空计数器的值
}

3、主程序

#include "LED.h"
#include "Delay.h"


/*************************************************
*函数名：    main
*函数功能： 主函数
*输入：     无  
*返回值：   无
**************************************************/
int main()
{
	SysTick_Init(72);
	LED_Init();
	while(1)
	{
		GPIO_SetBits(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
		GPIO_ResetBits(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
		Delay_ms(1000);
		GPIO_SetBits(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
		GPIO_ResetBits(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
		Delay_ms(1000);
	}
}

4、软件仿真步骤

（1）根据自己开发板的外部时钟晶振频率参数设置，我的是8MHz。
在这里插入图片描述

（2）Debug选项设置。
在这里插入图片描述

（3）点击Debug,打开示波器，设置参数。
①
在这里插入图片描述
②

③

5、实验效果

软件仿真效果：
①
在这里插入图片描述
②

可以看到LED电平翻转的时间间隔是1s，说明延时时间是1s。

硬件仿真效果（引脚高低电平持续时间）：
在这里插入图片描述

五、HAL库的延时

1、HAL库的配置步骤

（1）复制2.LED工程并命名为3.SysTick.
在这里插入图片描述

（2）在工程中新建Public文件夹，表明是里面保存的是通用的程序。
在这里插入图片描述

（3）在Public文件夹内建立Delay文件夹，用来保存SysTick定时器的程序。
在这里插入图片描述

（4）打开工程，新建两个文件并命名为：Delay.h和Delay.c，保存在刚建立的Delay文件夹内。
①
在这里插入图片描述

②
在这里插入图片描述

（5）添加文件到目录并添加文件路径。
①
在这里插入图片描述

②
在这里插入图片描述

2、SysTick定时器配置程序

Delay.h:

#ifndef DELAY_H_
#define DELAY_H_

#include "stm32f1xx_hal.h"

void SysTick_Init(uint8_t SYSCLK); //SysTick定时器初始化函数
void Delay_us(uint32_t nus);       //微秒级延时函数
void Delay_ms(uint16_t nms);       //毫秒级延时函数



#endif

Delay.c:

#include "Delay.h"

static uint32_t  fac_us=0;							//1us计数fac_us个数		   

/*******************************************************************************
* 函 数 名:          SysTick_Init
* 函数功能:          SysTick初始化函数
* 输    入:          SYSCLK:系统时钟频率
* 输    出:          无
*******************************************************************************/
void SysTick_Init(uint8_t SYSCLK)
{
 	HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);//SysTick频率为HCLK 
	fac_us=SYSCLK;						//保存1us所需的计数次数  
}								    

/*************************************************
*函数名：            Delay_us
*函数功能：          微秒级延时函数
*输入：              nus：延时nus微秒
                     注意：nus的取值为0~190887435(最大值即2^32/fac_us@fac_us=22.5)
*返回值：            无
**************************************************/	 
void Delay_us(uint32_t nus)
{		
	uint32_t ticks;
	uint32_t told,tnow,tcnt=0;
	uint32_t reload=SysTick->LOAD;				//LOAD的值	    	 
	ticks=nus*fac_us; 						//需要的节拍数 
	told=SysTick->VAL;        				//刚进入时的计数器值
	while(1)
	{
		tnow=SysTick->VAL;	
		if(tnow!=told)
		{	    
			if(tnow<told)tcnt+=told-tnow;	//这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了.
			else tcnt+=reload-tnow+told;	    
			told=tnow;
			if(tcnt>=ticks)break;			//时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
		}  
	};
}

/*************************************************
*函数名：            Delay_ms
*函数功能：          毫秒级延时函数
*输入：              nus：延时nus毫秒
*返回值：            无
**************************************************/	
void Delay_ms(uint16_t nms)
{
	uint32_t i;
	for(i=0;i<nms;i++) Delay_us(1000);
}

3、实验效果

与标准库的实验效果一样，但是这里还是放一下测试的图片。
在这里插入图片描述

3、关于HAL_Delay()函数

（1）函数情况

HAL_Delay()这个函数是HAL库自带的毫秒级延时函数，基本上在以后的工程中，没有特殊情况，我们都不使用自己建的延时函数，基本上都用HAL_Delay()这个函数，函数使用的是SysTick滴答定时器中断延时。

（2）函数程序

__weak void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;

  /* Add a freq to guarantee minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)(uwTickFreq);
  }

  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
  }
}

（3）程序说明

函数是一个弱定义函数，可以重新被定义。
函数通过HAL_GetTick()获取计数值，计数值1ms加1，直到加到你写入的值，跳出最后的while循环，程序结束。
uwTickFreq这个值是为1的，也就是说会多延时1ms，这样做是为了防止用户写入延时0ms这种无意义的延时。
注意：这个函数是有中断的，不要把这个函数放到自己的中断回调函数里，如果SysTick定时器中断的优先级小于你使用某个中断的优先级这样可能会导致程序卡在HAL_Delay()这个函数里。