L2 定时器与 PWM
本课目标
能从时钟树确定定时器输入时钟，使用 PSC、ARR、CCR 计算更新频率与占空比，并将示例参数迁移到 Stellaris-Nexus 的 RGB LED、蜂鸣器和舵机接口。
一、STM32F103C8T6 的时钟树：芯片的“血液循环系统”
1.1 为什么需要复杂的时钟树？
单片机内部并非一个单一的整体，而是由众多功能各异的模块（如CPU内核、内存、定时器、串口、ADC等）协同工作的“微型城市”。时钟树的作用，可以类比为这个城市的：
统一的计时基准（脉搏）： 就像城市需要统一的时间来协调交通、上下班一样，芯片内所有数字逻辑电路的每一步操作（读取、计算、写入）都需要一个精准的时钟脉冲来驱动。没有时钟，电路就无法步调一致地工作。
精细的能源管理（节能）： 并非所有“城市部门”都需要全速运行。例如，待机时CPU可以慢速或停止，而独立看门狗需要低速运行以防系统死机。时钟树通过分频、倍频和门控开关，可以独立地为每个模块提供最合适的速度，并在其空闲时关闭时钟，从而实现极致的能效控制。
外设与内核的解耦（模块化）： 不同的外设（如USB需要精确的48MHz，UART需要特定的波特率）对工作频率有独特要求。时钟树允许它们从不同的时钟源获取信号，让外设独立于CPU核心频率进行配置，大大增加了系统设计的灵活性。
1.2时钟树的结构
以我们开发板的F103c8t6芯片的时钟数为例，我们可以将整个时钟数大体分为三个部分时钟源部分，外设总线，以及一些其他结构
我们可以将整个时钟树看作一个由水源（时钟源）、主干渠和支流（外设总线）以及水闸和调速器（其他结构）组成的供水系统。
1.2.1 时钟源部分（水源） 这是整个系统的起点，有四个独立的水源：
高速内部时钟（HSI）：
相当于一个内置的、不太精确的振荡器，频率为8MHz。
优点：不需要外部元件，上电就能用，启动快。
缺点：精度不高，受温度和电压影响。
用途：可以作为系统时钟的备用源，或者用于不需要高精度的场合。
高速外部时钟（HSE）：
相当于一个外接的、高精度的晶振，通常接8MHz。
优点：非常稳定和精确。
缺点：需要外部晶体和两个小电容，成本略高，启动稍慢。
用途：当我们希望系统运行稳定、精确时（比如需要准确的定时或通信），就使用HSE。
低速内部时钟（LSI）：
相当于一个内置的、低功耗的慢速振荡器，频率约40kHz。
优点：独立，功耗低，即使在深度睡眠时也能运行。
缺点：精度很差。
用途：主要给独立看门狗（IWDG）和自动唤醒单元（AWU）提供时钟，用于系统监控和低功耗唤醒。
低速外部时钟（LSE）：
相当于一个外接的、高精度的慢速晶振，通常为32.768kHz。
优点：精度高，功耗低。
缺点：需要外部元件。
用途：专门给实时时钟（RTC）提供时钟，用于日历、计时等需要长时间精确计时的功能。
1.2.2 外设总线部分（主干渠和支流） 有了水源，我们需要通过渠道将水引到不同的村庄（外设）。STM32内部有两条主要的外设总线，它们就像主干渠和支流：
AHB总线（高级高性能总线）：
这是最宽、最快的主干道，连接着CPU核心、内存（Flash和SRAM）、DMA等高速设备。
在STM32F103中，AHB总线通常运行在最高速度（72MHz）。
从AHB总线再分出来两条稍慢一些的总线：APB1和APB2。
APB总线（高级外设总线）：
这是连接各种外设的支流，分为APB1和APB2。
APB1：低速外设总线，最大频率为36MHz。连接着大部分普通外设，如定时器2~7、串口2~5、I2C1~2、SPI2等。
APB2：高速外设总线，最大频率为72MHz。连接着一些对速度要求高的外设，如GPIO、ADC、定时器1、SPI1、USART1等。
注意：虽然APB1总线最大频率为36MHz，但挂载在它上面的定时器（TIM2~TIM4）有一个特殊设计：当APB1的预分频系数不为1时，定时器的时钟频率会是APB1总线频率的2倍。这样，即使APB1总线运行在36MHz，定时器仍然可以以72MHz运行，从而获得更高的计时精度。
1.2.3 其他结构（水闸和调速器） 在时钟树中，还有一些重要的结构，它们像水闸和调速器一样，调节着时钟的分配和转换：
PLL（锁相环）：
这是一个频率倍增器，可以将低速的时钟源（如8MHz的HSE）倍频到更高的频率（如72MHz）。
我们通常使用HSE（8MHz）作为PLL的输入，然后通过PLL倍频得到72MHz，作为系统时钟（SYSCLK）的来源。
分频器：
在每个总线的入口，都有一个分频器（预分频器）。它可以将上级总线的时钟频率进行分频，以降低下级总线的速度。
例如，AHB总线时钟（HCLK）可以通过分频器得到APB1总线时钟（PCLK1）。如果HCLK是72MHz，我们可以将APB1预分频设置为2，那么PCLK1就是36MHz。
多路选择器（MUX）：
在关键时刻，会有多个时钟源可以选择，比如系统时钟（SYSCLK）可以选择HSI、HSE或者PLL输出。多路选择器就像是一个多路开关，选择其中一个作为输出。
门控开关（使能位）：
每个外设的时钟都有一个独立的开关（使能位），位于RCC（复位和时钟控制）模块中。当我们不使用某个外设时，可以关闭它的时钟，以节省功耗。
1.2.4一个典型的时钟配置（以72MHz系统时钟为例） 让我们来看一下在Blue Pill开发板（STM32F103C8T6）上，如何配置时钟达到72MHz的系统时钟：
选择时钟源：使用外部8MHz晶振（HSE）作为原始时钟。
倍频：通过PLL将8MHz倍频9倍，得到72MHz。
系统时钟：选择PLL的输出作为系统时钟（SYSCLK），此时整个系统的核心（CPU、内存等）运行在72MHz。
分配：
AHB总线时钟（HCLK）不分频，为72MHz。
APB1总线时钟（PCLK1）预分频为2，得到36MHz（不超过最大限制）。
APB2总线时钟（PCLK2）不分频，为72MHz。
特殊处理：虽然APB1总线时钟为36MHz，但挂载在它上面的定时器（TIM2~TIM4）的时钟会自动倍频2倍，达到72MHz。
二、定时器：STM32 的“多功能工具”
2.1定时器的本质
定时器的本质其实是一个计数器，它随着时钟信号不断累加。 不同频率时钟源会给定时器发出不同速度的信号，定时器接收到信号后会记录接收的次数
其中有几个关键参数时钟源：定时器"数数"的速度（比如每1微秒数1次），预分频器(Prescaler)：决定"数数"的间隔，自动重装载值(ARR)：数到多少算一圈（最大值），比较值(CCR)：数到某个特定值时做什么事（用于PWM）。
2.2 STM32F103的定时器分类与功能
STM32F103C8T6有11个定时器，分为4个级别：高级定时器，通用定时器，基本定时器和SysTick定时器。
简单对比表：
| 类型 | 数量 | PWM通道 | 编码器接口 | 互补输出 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 高级 | 2个 | 4通道 | 支持 | 支持 | 电机控制 |
| 通用 | 4个 | 4通道 | 支持 | 不支持 | 舵机、蜂鸣器 |
| 基本 | 2个 | 0通道 | 不支持 | 不支持 | 系统定时 |
| SysTick | 1个 | 无 | 无 | 无 | 操作系统心跳 |
2.3 定时器的6大功能
功能1：基础定时（时基）
作用：每隔固定时间做一件事
应用场景：LED闪烁、定时采集传感器数据
工作原理
时钟：1MHz（每微秒计1次数）
设定：数到50000次（50毫秒）触发中断
结果：每50ms执行一次中断函数
功能2：PWM生成
作用：用数字信号控制模拟设备
应用场景：舵机角度、电机速度、LED亮度
工作原理：
周期：20ms（数0~19999） 高电平时间：0.5ms~2.5ms（数500~2500）
数到500之前：输出高电平 → 舵机转到0° 500~2500之间：输出低电平 数完20000次：重新开始
除此之外还有输入捕获，输出比较，编码器接口，定时器串联等功能
2.4定时器功能总结表
| 功能 | 核心用途 | 常用场景 | 关键配置 |
|---|---|---|---|
| 基础定时 | 周期性任务 | LED闪烁、数据采集 | 预分频、ARR |
| PWM生成 | 模拟控制 | 舵机、电机、LED调光 | PWM模式、CCR |
| 输入捕获 | 测量时间 | 超声波、红外遥控 | 捕获模式、边沿选择 |
| 输出比较 | 精准触发 | 步进电机、方波生成 | 比较模式、CCR |
| 编码器接口 | 位置速度测量 | 电机反馈、角度测量 | 编码器模式 |
| 从模式 | 多定时器同步 | 协同控制、精密时序 | 触发源、从模式 |
2.5如何选择定时器？
根据需求选择：
需要控制电机正反转 → TIM1/TIM8（高级定时器）
普通PWM控制（舵机、蜂鸣器） → TIM2~TIM5（通用定时器）
只需简单定时 → TIM6/TIM7（基本定时器）
系统延时 → SysTick（已由HAL库管理）
三、PWM 信号：用数字脉冲表达连续比例
3.1 PWM的本质是什么？
PWM（脉宽调制）本质上是一种用数字信号模拟出模拟量效果的巧妙方法。它的核心思想很简单：既然单片机引脚只能输出固定的高电平（如3.3V）和低电平（0V），那么我们通过极高频率地在高低电平之间切换，并精确控制高电平时间在一个周期内的占比，就能让连接的设备“感受到”一个平均电压。例如，如果一个引脚50%的时间输出3.3V，50%的时间输出0V，那么设备感受到的平均电压就是1.65V。这就是PWM的魔法：它用数字开关的通断时间比例，伪装出了电压连续变化的效果。
3.2PWM的关键参数
PWM的精髓由三个关键参数决定：频率、占空比和振幅。频率决定了信号切换的快慢，单位是赫兹（Hz）。频率不能太低，否则设备（如LED、电机）会察觉到闪烁或抖动；也不能过高，否则会产生不必要的开关损耗。不同的设备有其“舒适”的频率范围，例如舵机通常要求精确的50Hz，而电机控制则常用几千到上万赫兹。占空比是PWM控制的“方向盘”，它定义为高电平时间占整个信号周期的百分比。从0%到100%调节占空比，就等效于将平均电压从0平滑地调至最大值，从而实现灯光从熄灭到最亮、电机从停止到全速的连续控制。振幅通常是固定的，即单片机引脚的高电平电压值（如3.3V），它决定了控制的最大力度。
3.3PWM的使用
以最经典的舵机控制为例，可以完整串联PWM的配置与应用。舵机需要周期为20ms（即50Hz）、高电平脉宽在0.5ms到2.5ms之间的PWM信号来对应0度到180度的角度。假设我们使用STM32F103的72MHz系统时钟，并通过预分频将其调整为1MHz（即每微秒计数一次）。要得到20ms的周期，定时器需要计数20000次，因此ARR应设置为19999。此时，0.5ms的高电平对应计数值500，2.5ms对应2500。我们只需将目标角度按比例映射为500至2500之间的一个CCR值并写入寄存器，定时器硬件就会持续输出精确的PWM波形，驱动舵机稳定地转到指定角度。整个过程，CPU仅在需要改变角度时更新一下CCR值，其余工作全部由定时器硬件自动完成，高效且精准。
总结来说，PWM是连接数字世界与物理模拟世界的桥梁。理解其“以时间比例控制平均效果”的核心原理，掌握频率、占空比与硬件寄存器（ARR、CCR）的对应关系，就能举一反三地驾驭LED调光、电机调速、蜂鸣器音调控制等绝大多数嵌入式控制场景。
