微控制器內定时器基础知识：入门指南

工程小贴士
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在嵌入式系统中，定时器（Timer）是一个非常重要的外设模块。它不仅用于实现精确的延时，还常常用来生成脉宽调制（PWM）信号、捕捉外部事件以及执行周期性任务。本文将从定时器的基本概念、常见模式、配置方法及应用实例等方面为您详细讲解定时器的基础知识。

1. 定时器的基本概念

1.1 什么是定时器？

定时器是一种硬件模块，用于计数时钟脉冲或外部信号，从而实现时间控制功能。与依赖软件实现延时不同，硬件定时器具有更高的精度和更低的 CPU 负载。

2. 定时器的主要功能

计时与计数

定时器通过累加时钟脉冲来计时，可以用来测量经过的时间或统计事件次数。

周期性中断

当定时器计数达到预设值时，它可以触发中断，从而让微控制器执行某个周期性任务（例如刷新显示或采集传感器数据）。

PWM 波形生成

利用定时器可以产生具有可调占空比的脉宽调制信号，这在电机控制、LED 调光等应用中非常常见。

3. 定时器常见工作模式

不同的定时器模块支持多种工作模式，下面列举几种常见模式：

自由运行模式

定时器在自由运行模式下会不断计数，当计数达到预设周期时自动复位，并可触发中断。适用于实现精确的定时中断和周期性任务。

单次触发模式

在单次触发模式中，定时器计数到达预设值后停止工作，通常用于产生一次性延时或者生成固定宽度的脉冲。

输入捕捉模式

输入捕捉模式允许定时器捕捉外部事件（如外部信号的上升沿或下降沿）发生时的定时器值，常用于测量信号频率、脉宽和周期。

脉宽调制（PWM）模式

在 PWM 模式下，定时器生成的输出信号可用于控制电机、调节 LED 亮度等。不同的 PWM 模式（例如快速 PWM、相位和频率校正 PWM）提供了不同的输出特性，满足各种应用需求。

4. 定时器在实际应用中的作用

在实践中常见的定时器应用包括：

延时和周期性中断

利用定时器产生精确的时间延时，或定期触发中断执行任务，如采集传感器数据、更新显示内容等。

PWM 信号生成

通过定时器生成不同占空比的 PWM 信号，控制直流电机转速或 LED 的亮度。

输入信号测量

使用输入捕捉模式来测量外部信号的频率、脉宽或占空比，这在通信和控制系统中十分常见。

5. 如何快速上手定时器

对于刚接触定时器的工程师，可以从开发板入手，如何快速上手定时器。比如利用开发板（如 Microchip、STM32 或 Silicon Labs 提供的评估板）进行实验。尝试配置一个简单的定时器中断或 PWM 输出，观察实际效果。

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看了这篇定时器入门指南真的很实用。之前刚接触嵌入式时，总搞不懂为啥非要用硬件定时器，用软件延时多简单。后来试了才发现，软件延时占着 CPU 啥都干不了，定时器触发中断既精准又不耽误事。
我最近在调 STM32 的 PWM 控制 LED，按文章说的从开发板入手，先配了个简单中断，现在终于能流畅调光了。不过有个疑问，不同定时器模式切换时，会不会有计数偏差呀？有没有啥小技巧能避免呢？

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定时器啊，使用最多的外设了，是基础也是重要的设备，可以实现很多功能

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很多使用STM32 定时器，出现计数偏差的主要根源是，定时器的影子（shadow ）寄存器机制—— 关键寄存器（ARR、PSC、CCR、CMS 模式控制位等）存在 “主寄存器” 和 “影子寄存器” 两个物理实例：

  • 主寄存器：软件直接读写的寄存器，修改后不会立即生效；
  • 影子寄存器：定时器逻辑实际使用的寄存器，仅在 “Update 事件（UEV）” 触发时，才会同步主寄存器的新值。

若模式切换时不主动同步，会出现两种偏差场景：

  1. 旧影子值残留：比如从 “自由运行模式” 切 “PWM 模式” 时，ARR/CCR 的旧影子值未更新，导致首次计数按旧参数运行（如 PWM 占空比异常）；
  2. 时序冲突：若在定时器 “使能状态（CEN=1）” 下修改寄存器，主寄存器与影子寄存器的同步会延迟到下一次自然溢出，中间会出现计数 “跳变” 或 “少计”。

可以尝试利用 Update 事件 (UEV) 强制同步

当你改变 ARR / PSC / CCR / CMS（模式）这些关键寄存器时，可以通过触发一个软件 “更新事件” (UG bit in EGR register) 来强制同步。也就是说：

  • 停止定时器
  • 修改寄存器
  • 置 EGR.UG = 1
  • 启动定时器

这样做能保证影子（shadow ）寄存器 → 主寄存器的切换在你可控的时机发生，减少意外跳变。

更多内容，请看这篇STM32应用笔记

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定时原理
首先，时钟信号（CLK）输入到预分频器（PSC），在此降低频率以适应不同的定时需求。降频后的时钟信号送入定时器时钟（TIM CLK），再驱动计数器（CNT）。计数器根据自动重装载寄存器（ARR）设定的值进行计数，一旦计数值达到ARR设定的值，定时器便完成一个周期，产生中断或其他预设的定时事件，如输出比较信号或重置计数器。通过调整PSC和ARR的值，可以精确控制定时周期和定时器的输出

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定时是控制器最重要的功能了，时序也是通讯重要的组成部分。像用得最多的外设串口也有个波特率定时器。其实定时器就是像是一个闹钟，最基础的延时就是设置闹钟响的时间，PWM是设置一个周期闹钟，还有占空比闹钟，外部捕捉就是用计算外部IO触发的时间。

当然像STM32这类的32位单片机，资源比较多，定时器循环模式下，定时时间也不用软件介入，有自动重载寄存器，硬件模块会把时间自动重新加载，理论上时钟准确度很高。