Stm32. Переходим на современный C++. Часть 4. Таймеры. Базовый таймер.

Вступление.

На прошлом занятии мы закончили рассмотрение способов управления портами ввода-вывода с применением полностью шаблонной библиотеки Zhele. На сегодняшнем занятии будем рассматривать такую обширную тему, как таймеры, и начнем, конечно, с базовых их возможностей, реализованных в базовых таймерах.

Таймеры в контроллерах Stm32.

Все таймеры, представленные в микроконтроллерах Stm32, можно разделить на три категории, причем составляющих иерархию, где каждый тип расширяет возможности предыдущего, как показано на рисунке:

Рассмотрим возможности базовых таймеров и соответствующий интерфейс библиотеки.

Базовый таймер.

Компания ST в условиях широкого ассортимента выпускаемых контроллеров предложила, на мой взгляд, удобную схему несплошной нумерации таймеров: таймеры 1 и 8 - продвинутые, 6 и 7 - общего назначения, и это правило действительно для всех микроконтроллеров.

Согласно Reference Manual таймеры 6 и 7 - это базовые таймеры, состоящие из 16-битного счетчика с автоперезагрузкой, управляемого программируемым предделителем.

К основным, согласно Reference Manual, можно отнести следующее:

• 16-битный счетчик прямого счета с автоперезагрузкой;
• 16-битный программируемый предделитель, используемый для деления входного тактирующего сигнала на любое значение в промежутке 1 ... 65536;
• схема синхронизации с DMA;
• генерации прерывания и/или запроса DMA по событию обновления счетчика (оно же переполнение).

На рисунке ниже представлена диаграмма блока базового таймера из того же Reference Manual.

Из описания и рисунка можно сделать простой вывод: базовый таймер позволяет точно отмерять равные промежутки времени, настраиваемые значениями регистров предделителя и перезагрузки. Понятие "равные" я применил не совсем точно, поскольку значения обоих регистров можно менять "на лету".

Например, чтобы обеспечить ежесекундное событие переполнения таймера на контроллере Stm32f103c8t6 без дополнительной настройки системы тактирования (то есть системная шина, а вместе с ней и таймер, тактируются сигналом HSI с частотой 8 МГц) произведение предделителя и значения перезагрузки должно быть равным 8x10⁶.

В общем случае частоту возникновения события переполнения можно вычислить по формуле:

​F = F_clk  /  ((PSC + 1) × (ARR + 1)​)

где

• F_clk - частота тактирования таймера;
• PSC - значение предделителя;
• ARR - значение регистра перезагрузки.

Стоит отметить, что эффективное (действительное) значение предделителя и перезагрузки на единицу больше записанных в регистр значений, что достаточно очевидно, так как деление на 0 незаконно.

Рассмотрим возможности библиотеки Zhele для управления базовыми таймерами.

Интерфейс библиотеки для базовых таймеров.

Библиотека Zhele содержит набор шаблонов классов и их конкретных подстановок, объявленных в заголовочном файле timer.h. Для класса базового таймера (и, соответственно, для всех других тоже) доступны следующие методы:

1. unsigned GetClockFreq() - возвращает частоту шины таймера.
2. void Enable() - включает тактирование таймера.
3. void Disable() - отключает тактирование таймера.
4. void SetCounterValue(Counter counter) - устанавливает значение счетчика таймера.
5. Counter GetCounterValue() - возвращает текущее значение счетчика таймера.
6. void ResetCounterValue() - сбрасывает значение счетчика до 0.
7. void SetPrescaler(Prescaler prescaler) - устанавливает предделитель таймера.
8. Counter GetPrescaler() - возвращает текущий предделитель таймера.
9. void SetPeriod(Counter period) - устанавливает период (значение перезагрузки) таймера.
10. void SetPeriodAndUpdate(Counter value) - устанавливает период с немедленным обновлением и сбросом счетчика до 0.
11. Counter GetPeriod() - возвращает текущее значение периода.
12. void Stop() - останавливает таймер.
13. void Start() - запускает таймер.
14. void EnableInterrupt() - разрешает прерывание от таймера.
15. void DisableInterrupt() - запрещает прерывание от таймера.
16. bool IsInterrupt() - возвращает true, если в регистре флагов установлен флаг прерывания по переполнению.
17. void ClearInterruptFlag() - сбрасывает флаг прерывания.
18. void DmaRequestEnable() - разрешает запрос DMA по переполнению.
19. void DmaRequestDisable() - запрещает запрос DMA по переполнению.

Разберем несколько примеров использования базового таймера в контексте задачи управления светодиодом, а именно классическую учебную задачу ежесекундного изменения его состояния.

Пример. "Моргалка".

Разрабатываемый код предназначен для популярной платы BluePill с контроллером Stm32F103c8t6, которая содержит светодиод на PC13, поэтому сконфигурируем его на выход.

Сначала зададим alias, чтобы в случае необходимости было легко перенести диод на другую ногу: using Led = Pc13Inv. В функции main() осуществим некоторые настройки (см. Часть 2):

Led::Port::Enable();
Led::SetConfiguration<Led::Configuration::Out>();
Led::SetDriverType<Led::DriverType::PushPull>();
Led::Clear();

Далее настроим таймер. В контроллере Stm32f103c8 базовые таймеры 6 и 7 отсутствуют, однако, как было сказано выше, таймеры общего назначения, располагаясь дальше по иерархии, предоставляют все функции базовых. В исходном коде библиотеки этот факт реализован в виде наследования. Объявим alias, чтобы в случае необходимости было проще изменить на использование другого таймера: using LedTimer = Timer2;

В функции main() необходимо произвести начальные настройки, которые зависят от частоты шины, от которой тактируется таймер и от необходимого периода прерываний. В нашем случае частота системной шины, от которой тактируется таймер, составляет 8 МГц, соответственно для получения периода в 1 секунду необходимо разделить ее на 8.000.000 путем установки значений предделителя и регистра перезагрузки. Можно предложить несколько вариантов, например такой:

1. Значение предделителя 4000 (точнее 3999, так как значение регистра предделителя, равное 0, на самом деле задает делитель, равный 1).
2. Значение перезагрузки 2000 (аналогично в регистр надо записать 1999).

// Включение тактирования
LedTimer::Enable();
// Установка предделителя
LedTimer::SetPrescaler(3999);
// Установка периода. Если частота CPU = 8Мгц, то таймер будет переполняться каждую секунду (8Мгц/4000/2000).
LedTimer::SetPeriod(1999);
// Разрешение прерывания
LedTimer::EnableInterrupt();
// Запуск таймера
LedTimer::Start();

После вызова последней функции таймер начнет отсчет с генерацией прерывания, которое нужно обработать. Пока в библиотеке нет заранее заданных обработчиков прерывания (хотя несложно это обеспечить), поэтому обработчик нужно объявить вручную:

extern "C"
{
    void TIM2_IRQHandler()
    {
        // Изменение состояния светодиода
        Led::Toggle();
        // Сброс флага прерывания
        LedTimer::ClearInterruptFlag();
    }
}

Полный код приведен ниже:

#include <iopins.h>
#include <timer.h>

using namespace Zhele::IO;
using namespace Zhele::Timers;

using Led = Pc13Inv;
using LedTimer = Timer2;


int main()
{
    Led::Port::Enable();
    Led::SetConfiguration(Led::Configuration::Out);
    Led::SetDriverType(Led::DriverType::PushPull);
    Led::Clear();

    // Включение тактирования
    LedTimer::Enable();
    // Установка предделителя
    LedTimer::SetPrescaler(3999);
    // Установка периода. Если частота CPU = 8Мгц, то таймер будет переполняться каждую секунду (8МГц/4000/2000).
    LedTimer::SetPeriod(1999);
    // Разрешение прерывания
    LedTimer::EnableInterrupt();
    // Запуск таймера
    LedTimer::Start();

    for (;;)
    {
    }
}

extern "C"
{
    void TIM2_IRQHandler()
    {
        // Изменение состояния светодиода
        Led::Toggle();
        // Сброс флага прерывания
        LedTimer::ClearInterruptFlag();
    }
}

Stm32 позволяют менять предделитель и значение перезагрузки "на лету", причем если эффект от изменения предделителя очевиден (при очередной перезагрузке таймера на выходе будет 1 импульс на N входящих), то с регистром перезагрузки чуть сложнее, а именно есть два варианта: применение при очередном переполнении и применение немедленно со сбросом счетчика. В Reference Manual это описано достаточно подробно и понятно.

Например, если немного изменить обработчик прерывания, то можно добиться того, чтобы светодиод горел две секунды и затухал на одну:

// Изменение состояния светодиода
Led::Toggle();
// Сброс флага прерывания
LedTimer::ClearInterruptFlag();
// Изменение периода
LedTimer::SetPeriodAndUpdate(LedTimer::GetPeriod() == 1999.
    ? 3999
    : 1999);

Проект целиком можно взять на Яндекс.Диске.

На этом мы заканчиваем рассматривать базовые таймеры, а на следующем занятии начнем изучение таймеров общего назначения, а именно модуля сравнения, позволяющего настроить обнаружение достижения счетчика таймера определенного значения и реагирования на это событие. В частности, разберем генерацию ШИМ-сигнала.

P.S. Бонус для продвинутых.

Мы не рассмотрели генерацию DMA-запросов, так как на мой взгляд на данный момент разбирать контроллер прямого доступа к памяти еще рано, но не могу пройти мимо этой возможности и для тех, кто в целом разбирается, без подробных комментариев приведу тот же самый пример, но через DMA: будем записывать в регистр ODR порта C поочередно значения 0x0000 и 0x2000 (что соответствует записи и сбросу линии PC13).

Библиотека находится на этапе развития, поэтому на момент написания статьи таймеры не параметризуются своими линиями DMA, как другая периферия (например, I2C и SPI), поэтому придется настроить DMA вручную. Согласно Reference Manual таймеру 2 соответствует второй канал DMA 1 (см рис. 50 в разделе 13.3.7). Настроим DMA (подробнее про него позже) на запись в GPIOC->ODR из буфера, причем настроим в кольцевом режиме.

Ниже представлен исходный код управления:

#include <iopins.h>
#include <timer.h>
#include <dma.h>

using namespace Zhele;
using namespace Zhele::IO;
using namespace Zhele::Timers;

using Led = Pc13Inv;
using LedTimer = Timer2;

// Значения для регистра ODR (где-то я обсчитался с 0x2000, так что пусть будет 0xffff).
const uint16_t OdrBufferForDma[] = {0x0000, 0xffff};

int main()
{
    Led::Port::Enable();
    Led::SetConfiguration(Led::Configuration::Out);
    Led::SetDriverType(Led::DriverType::PushPull);
    Led::Clear();

    // Настройка DMA
    // Включаем тактирование
    Dma1::Enable();
    Dma1Channel2::Enable();
    Dma1Channel2::Transfer(
        // Режим память->периферия, размер данных 16 бит, циклический режим, инкремент памяти
        Dma1::Mode::Mem2Periph | Dma1::Mode::MSize16Bits | Dma1::Mode::Circular | Dma1::Mode::MemIncrement,
        OdrBufferForDma, // Источник данных
        &(GPIOC->ODR), // Приемник данных
        2); // Размер буфера

    // Включение тактирования
    LedTimer::Enable();
    // Установка предделителя
    LedTimer::SetPrescaler(3999);
    // Установка периода. Если частота CPU = 8Мгц, то таймер будет переполняться каждую секунду (8МГц/4000/2000).
    LedTimer::SetPeriod(1999);
    // Вместо прерывания - DMA запрос
    LedTimer::DmaRequestEnable();
    // Запуск таймера
    LedTimer::Start();


    for (;;)
    {
    }
}