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[導(dǎo)讀]在使用STM32F103產(chǎn)生固定頻率、固定占空比的PWM波時(shí),雖然有官方以及眾多開(kāi)發(fā)板提供的例程,但是關(guān)于有點(diǎn)問(wèn)題并沒(méi)有說(shuō)的很清晰,并且《STM32F10X參考手冊(cè)》的中文翻譯可能容易造成歧義,所以一開(kāi)始并沒(méi)有理解,這里就梳理一下我的理解,如果有誤解的情況,希望交流指正。

在使用STM32F103產(chǎn)生固定頻率、固定占空比的PWM波時(shí),雖然有官方以及眾多開(kāi)發(fā)板提供的例程,但是關(guān)于有點(diǎn)問(wèn)題并沒(méi)有說(shuō)的很清晰,并且《STM32F10X參考手冊(cè)》的中文翻譯可能容易造成歧義,所以一開(kāi)始并沒(méi)有理解,這里就梳理一下我的理解,如果有誤解的情況,希望交流指正。

1. 遇到的問(wèn)題

先直接上段配置代碼,這段代碼是產(chǎn)生一個(gè)20kHz固定頻率,50%固定占空比的方波信號(hào),典型的配置過(guò)程,一般來(lái)說(shuō)也不會(huì)有什么太多的疑問(wèn)。但是我逐步了解背后的定時(shí)器工作邏輯的時(shí)候,就產(chǎn)生了一些疑問(wèn),也沒(méi)有找到合理、清晰的解答。先說(shuō)明一下,只有通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器才有PWM模式,基本定時(shí)器沒(méi)有。
   
static void PWM_Mode_Config(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// 基本定時(shí)器配置
TIM_DeInit(TIM3);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 開(kāi)啟定時(shí)器時(shí)鐘,即內(nèi)部時(shí)鐘CK_INT=72M
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 49; // 自動(dòng)重裝載寄存器的值,累計(jì)TIM_Period+1個(gè)頻率后產(chǎn)生一個(gè)更新或者中斷
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)為
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 設(shè)置時(shí)鐘分頻系數(shù):不分頻(這里用不到)
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上計(jì)數(shù)模式
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); // 初始化定時(shí)器
TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update); // 清除計(jì)數(shù)器更新標(biāo)志位

// PWM模式配置
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // 配置為PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 使能輸出
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 25; // 設(shè)置初始PWM脈沖寬度為25,實(shí)際上就是配置占空比(捕獲比較寄存器1,CCR1)
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; // 當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值小于CCR1_Val時(shí)為低電平
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure ); // 使能通道2
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable ); // 使能預(yù)裝載(使能CCR1的預(yù)裝載)
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); // 使能自動(dòng)重載寄存器ARR的預(yù)裝載

// 開(kāi)啟TIM3
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); // 使能定時(shí)器
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能定時(shí)器中斷

1.1 什么是清除標(biāo)志位

   
TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update); // 清除計(jì)數(shù)器更新標(biāo)志位
代碼中有這樣一條,有人會(huì)問(wèn)函數(shù) TIM_ClearFlag() 和函數(shù) TIM_ClearITPendingBit() 有什么區(qū)別?其實(shí)重點(diǎn)在Flag和IT,前者是外設(shè)的狀態(tài)標(biāo)志,而后者是外設(shè)的中斷標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志就是一個(gè)外設(shè)它有自身的一些標(biāo)志位(Flag),來(lái)表明它處于什么狀態(tài),下圖就是定時(shí)器的狀態(tài)標(biāo)記。中斷標(biāo)志就是使能外設(shè)的中斷后,每次發(fā)生一次中斷,它會(huì)表明發(fā)生了什么樣的中斷,同樣中斷也有相應(yīng)的標(biāo)記。兩者分別靠函數(shù) TIM_GetFlagStatus() 和函數(shù) TIM_GetITStatus() 來(lái)獲取。
沒(méi)有使能中斷時(shí),是可以讀取該外設(shè)的狀態(tài)標(biāo)志的。同理,串口外設(shè)也有此區(qū)別。


1.2?模式1和模式2的區(qū)別

   
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;// 配置為PWM模式1
模式1
在向上計(jì)數(shù)時(shí),一旦TIMx_CNT < TIMx_CCR1時(shí)通道1為有效電平,否則為無(wú)效電平;在向下計(jì)數(shù)時(shí),一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時(shí)通道1為無(wú)效電平(OC1REF=0),否則為有效電平(OC1REF=1)。
模式2
在向上計(jì)數(shù)時(shí),一旦TIMx_CNT < TIMx_CCR1時(shí)通道1為無(wú)效電平,否則為有效電平;在向下計(jì)數(shù)時(shí),一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時(shí)通道1為有效電平,否則為無(wú)效電平。
實(shí)際上可以看到,模式1和模式2并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別,只是在同樣的有效電平情況下,輸出的波形電平相反而已。那么什么又是有效電平?后面有機(jī)會(huì)單獨(dú)說(shuō)明。

1.3 什么是自動(dòng)重裝載和預(yù)裝載寄存器?

   
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable );// 使能預(yù)裝載(使能CCR1的預(yù)裝載)
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); // 使能自動(dòng)重載寄存器ARR的預(yù)裝載
這個(gè)問(wèn)題才是我寫(xiě)這篇博客的源動(dòng)力,網(wǎng)上有很多人問(wèn),但是回答者沒(méi)能詳細(xì)說(shuō)明,《STM32F10X參考手冊(cè)》中的描述也有歧義。我只能從別人回答的只言片語(yǔ)中摸索,然后根據(jù)自己的理解來(lái)解釋。下面就看第二節(jié)的基本知識(shí)。

2. PWM波產(chǎn)生的過(guò)程



《STM32F10X參考手冊(cè)》對(duì)此的描述如下:
自動(dòng)裝載寄存器是預(yù)先裝載的,寫(xiě)或讀自動(dòng)重裝載寄存器將訪問(wèn)預(yù)裝載寄存器。根據(jù)在TIMx_CR1寄存器中的自動(dòng)裝載預(yù)裝載使能位(ARPE)的設(shè)置,預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容被立即或在每次的更新事件UEV時(shí)傳送到影子寄存器。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到溢出條件(向下計(jì)數(shù)時(shí)的下溢條件)并當(dāng)TIMx_CR1寄存器中的UDIS位等于’0’時(shí),產(chǎn)生更新事件。更新事件也可以由軟件產(chǎn)生。隨后會(huì)詳細(xì)描述每一種配置下更新事件的產(chǎn)生。
我在這個(gè)通用定時(shí)器框圖里面找不到預(yù)裝載寄存器,這就更增加疑惑了。后來(lái)翻了很多問(wèn)答帖,大概明白了其中的意思,以下是我的總結(jié)以及理解。
從框圖里面看到自動(dòng)重裝載寄存器(Auto Reload Register,ARR)和捕獲/比較寄存器組(Capture/Compare Register,CCR)的框下面有陰影,這就說(shuō)明這兩種寄存器含有影子寄存器(Shadow Register)。影子寄存器實(shí)際上才是真正直接參與定時(shí)器工作的寄存器,具有即時(shí)性。我們配置的ARR和CCR相當(dāng)于都是上層的寄存器,芯片在工作中,自動(dòng)將這些上層寄存器的值傳遞到各自的影子寄存器,從而參與計(jì)數(shù)或者比較過(guò)程。
那么,預(yù)裝載寄存器在哪里呢?
在參考文獻(xiàn)《關(guān)于STM32影子寄存器和預(yù)裝載寄存器和TIM_ARRPreloadConfig》中發(fā)現(xiàn)實(shí)際上ARR和CCR(可能)在物理底層上是兩個(gè)寄存器的組合,即預(yù)裝載寄存器(Preload Register)和影子寄存器。實(shí)際上,我們?cè)诖a層面,對(duì)ARR和CCR賦值,最終傳遞到直接參與工作的影子寄存器,中間還要經(jīng)歷一個(gè)預(yù)裝載寄存器的傳遞,它在這里相當(dāng)于緩存的作用。但是在手冊(cè)中并沒(méi)找到確實(shí)再物理硬件上存在預(yù)裝載寄存器的蛛絲馬跡(只查到緩存器一說(shuō)),那么也可以這樣理解。所謂的預(yù)裝載寄存器實(shí)際上只是ARR和CCR在他們需要向影子寄存器傳遞值的時(shí)候的一種“功能化”的別稱(chēng),也就是說(shuō)在需要傳值的時(shí)候,ARR和CCR就是各自影子寄存器的預(yù)裝載寄存器。
預(yù)裝載寄存器的概念應(yīng)該是相對(duì)于影子寄存器來(lái)說(shuō)的。影子寄存器是即時(shí)其作用的,而預(yù)裝載寄存器的值只有傳遞到影子寄存器才能起作用,你可以把它理解為一個(gè)緩存。就程序員的角度觀察,兩者共用一個(gè)地址,無(wú)法直接區(qū)別訪問(wèn),只能通過(guò)另外的辦法來(lái)設(shè)置對(duì)該地址操作的具體行為。
作為類(lèi)比,你可以把預(yù)裝載寄存器理解為內(nèi)存中的cache,數(shù)據(jù)寫(xiě)入了cache,卻是不一定寫(xiě)入內(nèi)存的。當(dāng)然你可以通過(guò)MMU設(shè)置為寫(xiě)穿(write through)或?qū)懟?write back)模式。
那么ARR和CCR各自的影子寄存器的值在什么時(shí)候更新呢?
可以立即將值傳入或者每次事件更新的時(shí)傳入,依賴(lài)于相關(guān)的控制位。
以ARR為例,控制寄存器TIMx_CR1的位7——ARPE(自動(dòng)重裝載預(yù)裝載允許位 ,Auto-reload preload enable),寫(xiě)“0”時(shí),TIMx_ARR寄存器沒(méi)有緩沖;寫(xiě)“1”時(shí),TIMx_ARR寄存器被裝入緩沖器。也就是說(shuō)ARPE寫(xiě)1,則影子寄存器立即被更新,否則只有等到每次事件發(fā)生時(shí),才更新,這就是 TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); 的含義。
   
void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState)
{
/* Check the parameters */
assert_param(IS_TIM_ALL_PERIPH(TIMx));
assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
if (NewState != DISABLE)
{
/* Set the ARR Preload Bit */
TIMx->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;
}
else
{
/* Reset the ARR Preload Bit */
TIMx->CR1 &= (uint16_t)~((uint16_t)TIM_CR1_ARPE);
}
}
同理,CCR的影子寄存器也有相應(yīng)操作。我選擇的是TIM3的通道2,其控制寄存器CCMR1的OC2PE位(CCMR1控制通道1和通道2),相應(yīng)的操作可以對(duì)照庫(kù)函數(shù)來(lái)了解。
看到有人回復(fù)“如果不改變頻率和占空比,純粹輸出PWM波,則可以不需要使能預(yù)裝載”,那是不是意味著以下兩句代碼可以不寫(xiě)?這需要試一下……
   
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable ); // 使能預(yù)裝載(使能CCR1的預(yù)裝載)
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); // 使能自動(dòng)重載寄存器ARR的預(yù)裝載
那這樣設(shè)計(jì)預(yù)裝載和影子寄存器有什么好處呢?
參考如下,我的簡(jiǎn)單理解就是將定時(shí)器的賦值過(guò)程和工作過(guò)程獨(dú)立開(kāi)。
設(shè)計(jì)preload register和shadow register的好處是,所有真正需要起作用的寄存器(shadow register)可以在同一個(gè)時(shí)間(發(fā)生更新事件時(shí))被更新為所對(duì)應(yīng)的preload register的內(nèi)容,這樣可以保證多個(gè)通道的操作能夠準(zhǔn)確地同步。如果沒(méi)有shadow register,或者preload register和shadow register是直通的,即軟件更新preload register時(shí),同時(shí)更新了shadow register,因?yàn)檐浖豢赡茉谝粋€(gè)相同的時(shí)刻同時(shí)更新多個(gè)寄存器,結(jié)果造成多個(gè)通道的時(shí)序不能同步,如果再加上其它因素(例如中斷),多個(gè)通道的時(shí)序關(guān)系有可能是不可預(yù)知的。
天吶,終于稍微理順了,雖然不一定對(duì),而且定時(shí)器需要死磕的細(xì)節(jié)太多,精力有限,慢慢來(lái)~~
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