[Day 15] STM32 LibOpenCM3：SysTick delay

14th鐵人賽 stm32 嵌入式系統

ZiTe

2022-09-28 10:37:31

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前言

在前面的篇章中，我們已經學會使用 Timer 來精確定時了，而在使用 MCU 的過程中最常會需要精確定時的莫過於 delay() 函式，在此之前我都是單純的讓 MCU 空跑一定的次數，但這樣很難知道它實際上到底 delay 了多久的時間，而已同樣的數值在不同的 Clock Tree 設定下 delay 的長度也不同，因此我們可以使用 Timer 來做出一個更好的 delay()。

但是如果只是要實現 delay() 功能的話，並不用像之前的 Timer 那樣計算並設定一大堆數值，因爲 ARM Cortex M3 有一個特殊的計時器——SysTick，我們可以使用它來完成 delay() 函式。

這次的目標是使用 SysTick 來實現一個 delay_ms() 函式，它可以以毫秒爲單位進行 delay，並且用來寫 LED 閃爍的程式。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 爲「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 檔案。

完整程式

/**
 * @file   main.c
 * @brief  SysTick delay example for STM32 Nucleo-F446RE
 */

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/cm3/systick.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

#define RCC_LED_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_LED_PORT (GPIOA)
#define GPIO_LED_PIN (GPIO5) /* D13. */

static volatile uint32_t systick_delay = 0;

static void delay_ms(uint32_t ms)
{
  systick_delay = ms;
  while (systick_delay != 0)
  {
    /* Wait. */
  }
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_LED_GPIO);
}

static void led_setup(void)
{
  /* Set LED pin to output push-pull. */
  gpio_mode_setup(GPIO_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_LED_PIN);
  gpio_set_output_options(GPIO_LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_LED_PIN);
}

static void systick_setup(void)
{
  systick_set_clocksource(STK_CSR_CLKSOURCE_AHB_DIV8);
  systick_set_reload(rcc_ahb_frequency / 8 / 1000 - 1);

  systick_counter_enable();
  systick_interrupt_enable();
}

int main(void)
{
  rcc_setup();
  systick_setup();
  led_setup();

  while (1)
  {
    gpio_toggle(GPIO_LED_PORT, GPIO_LED_PIN); /* LED on/off. */
    delay_ms(500);
  }

  return 0;
}

/**
 * @brief SysTick handler.
 */
void sys_tick_handler(void)
{
  if (systick_delay != 0)
  {
    systick_delay--;
  }
}

分段說明

Include

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/cm3/systick.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

重點在於要記得引入 systick.h。值得注意的是如果不引入 nvic.h 的話，程式應該也可以完成編譯甚至執行，但 SysTick 的 ISR 函式原型其實是宣告在這裡面的，所以我還是把它加入。

設定 SysTick

static void systick_setup(void)
{
  systick_set_clocksource(STK_CSR_CLKSOURCE_AHB_DIV8);
  systick_set_reload(rcc_ahb_frequency / 8 / 1000 - 1);

  systick_counter_enable();
  systick_interrupt_enable();
}

SysTick（System tick timer）是 ARM Cortex M3 系列內建的功能，這是一個 24 位元的下數計數器，擁有自動裝載與中斷功能。

從 Clock Tree 中可以看到 SysTick 在 AHB 底下，並且前面有一個可程式設定的預分頻器（圖上雖然看起來是固定 /8，但根據我實測的結果與 STM32CubeMX 中顯示的設定，這應該是可以選擇 /1 或 /8）。

▲ SysTick 的時鐘源。取自 RM0390。

這裡使用 systick_set_clocksource() 來指定 SysTick 時鐘源爲 AHB 並啓用 /8 預分頻器，因此目前的 SysTick 頻率爲 rcc_ahb_frequency / 8。

然後要設定 SysTick 的 RVR（Reload Value Register）暫存器，這個數值決定了 SysTick 發生中斷的頻率，SysTick 每次下數到 0 時都會自動載入 RVR 的值到 CVR（Current Value Register）中，所以 SysTick 會計數 RVR~0 共 RVR + 1 次。

所以 SysTick 中斷發生的頻率爲：
f_int = f_systick / (RVR + 1)
因此
RVR = f_systick / f_int - 1

最後只要套用上面的公式，並用 systick_set_reload() 設定 RVR 的值就好。因爲這裡預計要實現 ms 等級的 delay，所以我希望 SysTick 可以每 1 ms 就中斷一次，也就是中斷頻率爲 1 kHz，故設定 RVR 的值爲 rcc_ahb_frequency / 8 / 1000 - 1。

RVR 是一個 24 位元的暫存器，它的容許範圍爲 0x000001~0xFFFFFF，實際在設定時要注意一下。官方說明

Delay 與 SysTick ISR

static volatile uint32_t systick_delay = 0;

static void delay_ms(uint32_t ms)
{
  systick_delay = ms;
  while (systick_delay != 0)
  {
    /* Wait. */
  }
}
			  
/**
 * @brief SysTick handler.
 */
void sys_tick_handler(void)
{
  if (systick_delay != 0)
  {
    systick_delay--;
  }
}

首先宣告一個全域變數 systick_delay，並加上 volatile 以防止編譯器優化它。

delay_ms() 要做的就是把其參數 ms 傳遞給 systick_delay，然後等待 sys_tick_handler() 將 systick_delay 的值減到 0。

而 sys_tick_handler() 是 SysTick 的 ISR，它只要負責每次都把 systick_delay 減 1 即可。

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

以下列出主要的差異部分。完整的程式請看 GitHub repo。

static void rcc_setup(void)
{
#if defined(STM32F1)
  rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz();
#elif defined(STM32F4)
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
#endif

  rcc_periph_clock_enable(RCC_LED_GPIO);
}

static void led_setup(void)
{
  /* Set LED pin to output push-pull. */
#if defined(STM32F1)
  gpio_set_mode(GPIO_LED_PORT,
                GPIO_MODE_OUTPUT_2_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_PUSHPULL,
                GPIO_LED_PIN);
#else
  gpio_mode_setup(GPIO_LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_LED_PIN);
  gpio_set_output_options(GPIO_LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_LED_PIN);
#endif
}