開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

Cortex-M的內(nèi)核中包含Systick定時(shí)器了，只要是Cortex-M系列的MCU就會(huì)有Systick，因此這是通用的，下面詳細(xì)分析。

1 Systick工作原理分析

SysTick 定時(shí)器被捆綁在 NVIC 中，用于產(chǎn)生 SysTick 異常（異常號(hào) ：15）。在以前，操作系統(tǒng)和所有使用了時(shí)基的系統(tǒng)都必須有一個(gè)硬件定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生需要的“滴答”中斷，作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基。滴答中斷對(duì)操作系統(tǒng)尤其重要。例如，操作系統(tǒng)可以為多個(gè)任務(wù)分配不同數(shù)目的時(shí)間片，確保沒(méi)有一個(gè)任務(wù)能霸占系統(tǒng) ；或者將每個(gè)定時(shí)器周期的某個(gè)時(shí)間范圍賜予特定的任務(wù)等，操作系統(tǒng)提供的各種定時(shí)功能都與這個(gè)滴答定時(shí)器有關(guān)。因此，需要一個(gè)定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生周期性的中斷，而且最好還讓用戶程序不能隨意訪問(wèn)它的寄存器，以維持操作系統(tǒng)“心跳”的節(jié)律。

Cortex-M3 在內(nèi)核部分包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器——SysTick。因?yàn)樗械?CM3 芯片都帶有這個(gè)定時(shí)器，軟件在不同芯片生產(chǎn)廠商的 CM3 器件間的移植工作就得以簡(jiǎn)化。該定時(shí)器的時(shí)鐘源可以是內(nèi)部時(shí)鐘（FCLK，CM3 上的自由運(yùn)行時(shí)鐘），或者是外部時(shí)鐘。不過(guò)，外部時(shí)鐘的具體來(lái)源則由芯片設(shè)計(jì)者決定，因此不同產(chǎn)品之間的時(shí)鐘頻率可能大不相同。因此，需要閱讀芯片的使用手冊(cè)來(lái)確定選擇什么作為時(shí)鐘源。在 GD32 中SysTick 以 HCLK（AHB 時(shí)鐘）或 HCLK/8 作為運(yùn)行時(shí)鐘，見上圖。

SysTick 定時(shí)器能產(chǎn)生中斷，CM3 為它專門開出一個(gè)異常類型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件在 CM3 器件間的移植變得簡(jiǎn)單多了，因?yàn)樵谒?CM3 產(chǎn)品間，SysTick 的處理方式都是相同的。SysTick 定時(shí)器除了能服務(wù)于操作系統(tǒng)之外，還能用于其他目的，如作為一個(gè)鬧鈴、用于測(cè)量時(shí)間等。 Systick 定時(shí)器屬于Cortex 內(nèi)核部件 ，可以參考《ARM Cortex-M3 權(quán)威指南》（（英）JosephYiu 著，宋巖譯，北京航空航天大學(xué)出版社出版）來(lái)了解。

2 Systick寄存器分析

在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件按中通常實(shí)現(xiàn) Delay(N) 函數(shù)的方法為：

for(i = 0; i <= x; i ++);

x --- ;

對(duì)于GD32系列微處理器來(lái)說(shuō)，執(zhí)行一條指令只有幾十個(gè) ns，進(jìn)行 for 循環(huán)時(shí)，要實(shí)現(xiàn) N 毫秒的 x 值非常大，而且由于系統(tǒng)頻率的寬廣，很難計(jì)算出延時(shí) N 毫秒的精確值。針對(duì)GD32 微處理器，需要重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的方法去實(shí)現(xiàn)該功能，以實(shí)現(xiàn)在程序中使用 Delay(N)。

Cortex-M3 的內(nèi)核中包含一個(gè) SysTick 時(shí)鐘。SysTick 為一個(gè) 24 位遞減計(jì)數(shù)器，SysTick 設(shè)定初值并使能后，每經(jīng)過(guò) 1 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，計(jì)數(shù)值就減 1。計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，SysTick 計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝初值并繼續(xù)計(jì)數(shù)，同時(shí)內(nèi)部的 COUNTFLAG 標(biāo)志會(huì)置位，觸發(fā)中斷 (如果中斷使能情況下)。

在 GD32 的應(yīng)用中，使用 Cortex-M3 內(nèi)核的 SysTick 作為定時(shí)時(shí)鐘，設(shè)定每一毫秒產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理函數(shù)里對(duì) N 減一，在Delay(N) 函數(shù)中循環(huán)檢測(cè) N 是否為 0，不為 0 則進(jìn)行循環(huán)等待；若為 0 則關(guān)閉 SysTick 時(shí)鐘，退出函數(shù)。

注： 全局變量 TimingDelay , 必須定義為 volatile 類型 , 延遲時(shí)間將不隨系統(tǒng)時(shí)鐘頻率改變。

Cortex-M3中的Systick部分內(nèi)容屬于NVIC控制部分，一共有4個(gè)寄存器，名稱和地址分別是：

• STK_CTRL,0xE000E010--控制寄存器

第0位：ENABLE，Systick 使能位

（0：關(guān)閉Systick功能；1：開啟Systick功能）

第1位：TICKINT，Systick 中斷使能位

（0：關(guān)閉Systick中斷；1：開啟Systick中斷）

第2位：CLKSOURCE，Systick時(shí)鐘源選擇

（0：使用HCLK/8 作為Systick時(shí)鐘；1：使用HCLK作為Systick時(shí)鐘）

第16位：COUNTFLAG，Systick計(jì)數(shù)比較標(biāo)志，如果在上次讀取本寄存器后，SysTick 已經(jīng)數(shù)到了0，則該位為1。如果讀取該位，該位將自動(dòng)清零

• STK_LOAD, 0xE000E014--重載寄存器

Systick是一個(gè)遞減的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器遞減至0時(shí)，重載寄存器中的值就會(huì)被重裝載，繼續(xù)開始遞減。STK_LOAD 重載寄存器是個(gè)24位的寄存器最大計(jì)數(shù)0xFFFFFF。

• STK_VAL, 0xE000E018--當(dāng)前值寄存器

也是個(gè)24位的寄存器，讀取時(shí)返回當(dāng)前倒計(jì)數(shù)的值，寫它則使之清零，同時(shí)還會(huì)清除在SysTick控制及狀態(tài)寄存器中的COUNTFLAG標(biāo)志。

• STK_CALRB, 0xE000E01C--校準(zhǔn)值寄存器

校準(zhǔn)值寄存器提供了這樣一個(gè)解決方案：它使系統(tǒng)即使在不同的CM3產(chǎn)品上運(yùn)行，也能產(chǎn)生恒定的SysTick中斷頻率。最簡(jiǎn)單的作法就是：直接把TENMS的值寫入重裝載寄存器，這樣一來(lái)，只要沒(méi)突破系統(tǒng)極限，就能做到每10ms來(lái)一次 SysTick異常。如果需要其它的SysTick異常周期，則可以根據(jù)TENMS的值加以比例計(jì)算。只不過(guò)，在少數(shù)情況下， CM3芯片可能無(wú)法準(zhǔn)確地提供TENMS的值（如， CM3的校準(zhǔn)輸入信號(hào)被拉低），所以為保險(xiǎn)起見，最好在使用TENMS前檢查器件的參考手冊(cè)。

SysTick定時(shí)器除了能服務(wù)于操作系統(tǒng)之外，還能用于其它目的：如作為一個(gè)鬧鈴，用于測(cè)量時(shí)間等。要注意的是，當(dāng)處理器在調(diào)試期間被喊停（ halt）時(shí)，則SysTick定時(shí)器亦將暫停運(yùn)作。

3 Systick定時(shí)器實(shí)現(xiàn)

SysTick屬于Cortex-M內(nèi)核的部分，因此其相關(guān)的定義在core_cm3.h文件中。

3.1 main文件分析

主函數(shù)如下：

/*

    brief      main function

    param[in]  none

    param[out] none

    retval     none

*/

int main(void)

{

    //systick init

    sysTick_init();

    /* configure LED1 GPIO port */

    led_init(LED1);

    /* configure LED2 GPIO port */

    led_init(LED2);

    /* configure LED3 GPIO port */

    led_init(LED3);

    /* configure LED4 GPIO port */

    led_init(LED4);

    while(1) 

    {

        /* turn on LED1, turn off LED4 */

        led_on(LED1);

        led_off(LED4);

        /*delay 500ms*/

        delay_ms(500);

        /* turn on LED2, turn off LED1 */

        led_on(LED2);

        led_off(LED1);

        /*delay 500ms*/

        delay_ms(500);

        /* turn on LED3, turn off LED2 */

        led_on(LED3);

        led_off(LED2);

        /*delay 500ms*/

        delay_ms(500);

        /* turn on LED4, turn off LED3 */

        led_on(LED4);

        led_off(LED3);

        /*delay 500ms*/

        delay_ms(500);

    }

}

在 main 函數(shù)中，sysTick_init和 delay_us() 這兩個(gè)函數(shù)比較陌生，它們的功能分別是配置好 SysTick 定時(shí)器和進(jìn)行精確延時(shí)。整個(gè) main 函數(shù)的流程就是初始化 LED 及SysTick 定時(shí)器之后，就進(jìn)入死循環(huán)，點(diǎn)亮LED的時(shí)間為精確的 500 ms。

3.2 gd32f207i_systick_eval.c文件分析

配置并啟動(dòng) SysTick

我們看一下systick_init()這個(gè)函數(shù)，其功能是啟動(dòng)系統(tǒng)滴答定時(shí)器 SysTick。

/*

    brief      SysTick init

    param[in]  none

    param[out] none

    retval     none

*/

void sysTick_init(void)

{

/* SystemFrequency / 1000    1ms中斷一次

  * SystemFrequency / 100000  10us中斷一次

  * SystemFrequency / 1000000 1us中斷一次

  */

    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts */

    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 100000U)){

        /* capture error */

        while(1){

        }

    }

    // 關(guān)閉滴答定時(shí)器  

    SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    /* configure the systick handler priority */

    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);

}

本函數(shù)實(shí)際上只是調(diào)用了 SysTick_Config() 函數(shù)，它是屬于內(nèi)核層的 Cortex-M3 通用函數(shù)，位于 core_cm3.h 文件中。若調(diào)用 SysTick_Config() 配置 SysTick 不成功，則進(jìn)入死循環(huán)，初始化 SysTick 成功后，先關(guān)閉定時(shí)器，在需要的時(shí)候再開啟。SysTick_Config() 函數(shù)無(wú)法在GD32 外設(shè)固件庫(kù)文件中找到其使用方法。所以我們?cè)?Keil 環(huán)境下直接跟蹤這個(gè)函數(shù)到 core_cm3.h 文件，查看函數(shù)的定義。

/** \brief  System Tick Configuration

    The function initializes the System Timer and its interrupt, and starts the System Tick Timer.

    Counter is in free running mode to generate periodic interrupts.

    \param [in]  ticks  Number of ticks between two interrupts.

    \return          0  Function succeeded.

    \return          1  Function failed.

    \note     When the variable __Vendor_SysTickConfig is set to 1, then the

    function SysTick_Config is not included. In this case, the file device.h

    must contain a vendor-specific implementation of this function.

 */

__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)

{

  if ((ticks - 1) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);      /* Reload value impossible */

  SysTick->LOAD  = ticks - 1;                                  /* set reload register */

  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Systick Interrupt */

  SysTick->VAL   = 0;                                          /* Load the SysTick Counter Value */

  SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |

                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |

                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                    /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */

  return (0);                                                  /* Function successful */

}

在這個(gè)函數(shù)定義的前面有關(guān)于它的注釋，如果我們不想去研究它的具體實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)這段注釋了解函數(shù)的功能 ：這個(gè)函數(shù)啟動(dòng)了 SysTick ；并把它配置為計(jì)數(shù)至 0 時(shí)引起中斷 ；輸入的參數(shù) ticks 為兩個(gè)中斷之間的脈沖數(shù)，即相隔 ticks 個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)引起一次中斷 ；配置 SysTick 成功時(shí)返回 0，出錯(cuò)時(shí)返回 1。但是，這段注釋并沒(méi)有告訴我們它把 SysTick 的時(shí)鐘設(shè)置為 AHB 時(shí)鐘還是 AHB/8，這是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題，于是，我們將對(duì)這個(gè)函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，與大家再分享一下如何分析底層庫(kù)函數(shù)。分析底層庫(kù)函數(shù)，要有 SysTick 定時(shí)器工作分析的知識(shí)準(zhǔn)備。

檢查輸入?yún)?shù)

SysTick_Config() 第 3 行代碼是檢查輸入?yún)?shù) ticks，因?yàn)?ticks 是脈沖計(jì)數(shù)值，要被保存到重載寄存器 STK_LOAD 寄存器中，再由硬件把 STK_LOAD 值加載到當(dāng)前計(jì)數(shù)值寄存器 STK_VAL 中使用，STK_LOAD 和 STK_VAL 都是 24 位的，所以當(dāng)輸入?yún)?shù) ticks 大于其可存儲(chǔ)的最大值時(shí)，將由這行代碼檢查出錯(cuò)誤并返回。

位指示宏及位屏蔽宏

檢查 ticks 參數(shù)沒(méi)有錯(cuò)誤后，就稍稍處理一下把 ticks-1 賦值給 STK_LOAD 寄存器，要注意的是減 1，若 STK_VAL 從 ticks?1 向下計(jì)數(shù)至 0，實(shí)際上就經(jīng)過(guò)了 ticks 個(gè)脈沖。這句賦值代碼使用了宏 SysTick_LOAD_RELOAD_Msk，與其他庫(kù)函數(shù)類似，這個(gè)宏是用來(lái)指示寄存器的特定位置或進(jìn)行位屏蔽的。

/* SysTick Control / Status Register Definitions */

#define SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Pos         16                                             /*!< SysTick CTRL: COUNTFLAG Position */

#define SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk         (1ul << SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Pos)            /*!< SysTick CTRL: COUNTFLAG Mask */

#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos          2                                             /*!< SysTick CTRL: CLKSOURCE Position */

#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk         (1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos)            /*!< SysTick CTRL: CLKSOURCE Mask */

#define SysTick_CTRL_TICKINT_Pos            1                                             /*!< SysTick CTRL: TICKINT Position */

#define SysTick_CTRL_TICKINT_Msk           (1ul << SysTick_CTRL_TICKINT_Pos)              /*!< SysTick CTRL: TICKINT Mask */

#define SysTick_CTRL_ENABLE_Pos             0                                             /*!< SysTick CTRL: ENABLE Position */

#define SysTick_CTRL_ENABLE_Msk            (1ul << SysTick_CTRL_ENABLE_Pos)               /*!< SysTick CTRL: ENABLE Mask */

/* SysTick Reload Register Definitions */

#define SysTick_LOAD_RELOAD_Pos             0                                             /*!< SysTick LOAD: RELOAD Position */