【经验分享】STM32开发项目：微秒级的精准延时 - 使用system tick/DWT寄存器/NOP命令

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STMCU小助手发布时间：2022-4-13 11:00

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文章简介:	STM32开发项目：微秒级的精准延时 - 使用system tick/DWT寄存器/NOP命令

背景
延时函数在STM32单片机开发的项目中有广泛的应用，微秒级延时在一些时间要求严格的场景下（例如软件模拟I2C通讯）是必不可少的。由于FreeRTOS默认采用了system tick作为时间片分配的时基定时器，可能与利用system tick设计的延时函数出现冲突。再加上FreeRTOS提供的延时函数void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )最小的延时时间等于FreeRTOS的tick时间（一般设置为1ms），因此需要重新设计一套不基于system tick的微秒级延时函数。利用CM3/4内核中的数据观察点与跟踪(DWT)寄存器，可以在不占用硬件外设定时器的情况下实现微秒级的精准延时。

源码
通过选择#define USE_SYS_TICK, #define USE_DWT, #define USE_NOP_DELAY其中一个宏定义来决定delay函数的实现方式。需要特别注意的是，由于函数调用是需要时间的，因此使用延时函数时，一般会额外多出一些时间（1微秒左右）。

#define USE_SYS_TICK是利用system tick设计的延时函数，在没有使用实时操作系统的时候，它是一个比较适合实现微秒级延时的通用方法。
#define USE_DWT是利用CM3/4内核DWT寄存器设计的延时函数，它具有不占用system tick与外设定时器，延时精度高的特点。
#define USE_NOP_DELAY是利用了空指令设计的延时函数，它主要实现微秒以下的超短时间延时。
头文件

#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAY_H__
#include "stm32f10x_conf.h"
#include "stm32f10x.h"
//#define USE_SYS_TICK
#define USE_DWT
//#define USE_NOP_DELAY
void delay_init(void);
void delay_ms(uint16_t ms);
void delay_us(u32 us);
/**
* 定义ns级延时，72M主频下，每一条空指令大约14ns
*/
//#define DELAY_6ns() __NOP()
//#define DELAY_12ns() DELAY_6ns(); __NOP()
//#define DELAY_18ns() DELAY_12ns(); __NOP()
//#define DELAY_24ns() DELAY_18ns(); __NOP()
//#define DELAY_30ns() DELAY_24ns(); __NOP()
//#define DELAY_60ns() DELAY_30ns(); DELAY_30ns()
//#define DELAY_90ns() DELAY_60ns(); DELAY_30ns()
#endif

复制代码

源文件

#include "delay.h"
#ifdef USE_SYS_TICK
static uint8_t fac_us = 0; //us延时倍乘数
static uint16_t fac_ms = 0; //ms延时倍乘数,在ucos下,代表每个节拍的ms数
//初始化延迟函数
//当使用OS的时候,此函数会初始化OS的时钟节拍
//SYSTICK的时钟固定为HCLK时钟的1/8
//SYSCLK:系统时钟
void delay_init()
{
SysTick_CLKSourceConfig ( SysTick_CLKSource_HCLK_Div8 ); //选择外部时钟 HCLK/8
fac_us = SystemCoreClock / 8000000; //为系统时钟的1/8
fac_ms = ( uint16_t ) fac_us * 1000; //非OS下,代表每个ms需要的systick时钟数
}
//延时nus
//nus为要延时的us数.
void delay_us ( u32 us )
{
u32 temp;
SysTick->LOAD = us * fac_us; //时间加载
SysTick->VAL = 0x00; //清空计数器
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //开始倒数
do
{
temp = SysTick->CTRL;
}
while ( ( temp & 0x01 ) && ! ( temp & ( 1 << 16 ) ) ); //等待时间到达
SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //关闭计数器
SysTick->VAL = 0X00; //清空计数器
}
//延时nms
//注意nms的范围
//SysTick->LOAD为24位寄存器,所以,最大延时为:
//nms<=0xffffff*8*1000/SYSCLK
//SYSCLK单位为Hz,nms单位为ms
//对72M条件下,nms<=1864
void delay_ms ( uint16_t ms )
{
u32 temp;
SysTick->LOAD = ( u32 ) ms * fac_ms; //时间加载(SysTick->LOAD为24bit)
SysTick->VAL = 0x00; //清空计数器
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //开始倒数
do
{
temp = SysTick->CTRL;
}
while ( ( temp & 0x01 ) && ! ( temp & ( 1 << 16 ) ) ); //等待时间到达
SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //关闭计数器
SysTick->VAL = 0X00; //清空计数器
}
#elif defined USE_DWT
// 0xE000EDFC DEMCR RW Debug Exception and Monitor Control Register.
#define DEMCR ( *(__IO uint32_t *)0xE000EDFC )
#define TRCENA ( 0x01 << 24) // DEMCR的DWT使能位
#define DBGMCU_CR *(__IO uint32_t *)0xE0042004 //MCU调试模块控制寄存器，详细内容参考《stm32中文参考手册》调试支持（DBG）章节，747页
// 0xE0001000 DWT_CTRL RW The Debug Watchpoint and Trace (DWT) unit
#define DWT_CTRL ( *(__IO uint32_t *)0xE0001000 )
#define DWT_CTRL_CYCCNTENA ( 0x01 << 0 ) // DWT的SYCCNT使能位
// 0xE0001004 DWT_CYCCNT RW Cycle Count register,
#define DWT_CYCCNT ( *(__IO uint32_t *)0xE0001004) // 显示或设置处理器的周期计数值
//#define DWT_DELAY_mS(mSec) DWT_DELAY_uS(mSec*1000)
void delay_init()
{
//使能DWT外设
DEMCR |= (uint32_t)TRCENA;
//DWT CYCCNT寄存器计数清0
DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;
//使能Cortex-M3 DWT CYCCNT寄存器
DWT_CTRL |= (uint32_t)DWT_CTRL_CYCCNTENA;
}
// 微秒延时
void delay_us(uint16_t uSec)
{
if(uSec > 10000) uSec = 10000;
uint32_t ticks_start, ticks_end, ticks_delay;
ticks_start = DWT_CYCCNT;
ticks_delay = ( uSec * ( SystemCoreClock / (1000000) ) ); // 将微秒数换算成滴答数
ticks_end = ticks_start + ticks_delay;
// ticks_end没有溢出
if ( ticks_end >= ticks_start )
{
// DWT_CYCCNT在上述计算的这段时间中没有溢出
if(DWT_CYCCNT > ticks_start)
{
while( DWT_CYCCNT < ticks_end );
}
// DWT_CYCCNT溢出
else
{
// 已经超时，直接退出
return;
}
}
else // ticks_end溢出
{
// DWT_CYCCNT在上述计算的这段时间中没有溢出
if(DWT_CYCCNT > ticks_start)
{
// 等待DWT_CYCCNT的值溢出
while( DWT_CYCCNT > ticks_end );
}
// 等待溢出后的DWT_CYCCNT到达ticks_end
while( DWT_CYCCNT < ticks_end );
}
}
void delay_ms(uint16_t ms)
{
for(uint16_t i = 0; i < ms; i++)
{
// delay 1 ms
delay_us(1000);
}
}
#elif defined USE_NOP_DELAY
void delay_init(void)
{
}
void delay_ms(uint16_t ms)
{
}
void delay_us(u32 us)
{
}
#else
#endif

复制代码

特别说明
使用DWT内核的延时函数中，涉及了两次数据溢出处理，第一次数据溢出处理是指计算结束时间(ticks_end = ticks_start + ticks_delay)发生溢出，如下图所示：

这里有个限制条件就是延时长度(ticks_delay)不能超过uint32_t的最大值，但考虑到这是一个极大的数值，几乎不可能发生，因此可以简化处理限制微秒延时函数的输入参数小于10k，以提高延时精度。对于这个溢出判断就比较明确了：

if ( ticks_end >= ticks_start )
{
// 计算未溢出
}
else
{
// 计算溢出
}

复制代码

第二个溢出相对比较复杂，处理不当会导致严重问题，尤其是使用了RTOS的系统中有很可能遇到。其核心原因是从标记初始化时间戳ticks_start = DWT_CYCCNT到准备比较时间戳例如while( DWT_CYCCNT < ticks_end );的这段时间的耗时是不确定的。即使没有使用RTOS，如下代码(使用绿色底色标注)在执行时也可能被硬中断暂停，从而导致DWT_CYCCNT时间戳可能已经越过了ticks_end ，或者也发生了溢出重置。

ticks_start = DWT_CYCCNT;
ticks_delay = ( uSec * ( SystemCoreClock / (1000000) ) ); // 将微秒数换算成滴答数
ticks_end = ticks_start + ticks_delay;
if ( ticks_end >= ticks_start )
{
// DWT_CYCCNT在上述计算的这段时间中没有溢出
if(DWT_CYCCNT > ticks_start)
{
}
else
{
}
}
else
{
// DWT_CYCCNT在上述计算的这段时间中没有溢出
if(DWT_CYCCNT > ticks_start)
{
}
else
{
}
}

复制代码

因此需要根据延时等待操作时DWT_CYCCNT所处位置再进行一次判断：

ticks_end未溢出时(ticks_end1)：
DWT_CYCCNT未溢出(DWT_CYCCNT2 & DWT_CYCCNT3)时：while( DWT_CYCCNT < ticks_end );
DWT_CYCCNT溢出(DWT_CYCCNT4)时：直接返回。
ticks_end溢出时(ticks_end2)：
DWT_CYCCNT未溢出(DWT_CYCCNT2)时：while( DWT_CYCCNT > ticks_end ); while( DWT_CYCCNT < ticks_end );
DWT_CYCCNT溢出(DWT_CYCCNT4 & DWT_CYCCNT5)时：while( DWT_CYCCNT < ticks_end );

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使用指南
在程序开始的地方初始化延时函数：delay_init();
在需要延时的地方调用延时函数：delay_us(10);
需要特别说明的是，在FreeRTOS的任务中调用本文介绍的例如void delay_us(uint32_t us)等延时函数，任务会阻塞等待延时结束。如果是调用FreeRTOS提供的延时函数void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )，系统会执行低优先级任务直到延时结束。