定时器详解

1. 什么是定时器（timer）

定时器实际上就是Soc当中的一个内部外设。

（1）定时器与计数器

定时器常与计数器扯到一起，计数器也是soc当中的一个内部外设，计数器顾名思义是用来计数的，就和我们的秒表一样，秒表实际上就是一个计数器，每隔一个单位走一个格（就是计一个数），因为计数器的计数时间周期是固定的，因此到了一定时间只要用计数值*计数时间周期，就能得到一个时间段，这个时间段就是我们定的时间（这就是定时器了）。计数器和定时器其实是一回事。

（2）定时器/计数器作为SoC的外设，主要用来实现定时执行代码的功能。定时器相对于SoC来说，就好像闹钟相对于人来说意义一样。单核的CPU是单线程的，只能干一件事情，干完这件事情完去干另一件事情需要定时器来提醒。

2. 定时器有什么用

（1）定时器可以让SoC在执行主程序的同时，可以（通过定时器）具有计时功能，到了一定时间（计时结束）后，定时器会产生中断提醒CPU，CPU会去处理中断并执行定时器的ISR。从而去执行预先设定好的事件。

（2）定时器就好像是CPU的一个秘书一样，这个秘书专门管帮CPU来计时，并到时间后提醒CPU要做某件事情。所以CPU有了定时器之后，只需要预先把自己XX时间之后必须要做的事情绑定到定时器中断ISR即可，到了时间之后定时器就会以中断的方式提醒CPU来处理这个事情。

3. 定时器的原理

（1）定时器计时其实是通过计数来实现的。定时器内部有一个计数器，这个计数器根据一个时钟（这个时钟来自于ARM的APB总线，然后经过时钟模块内部的分频器来分频得到）来工作。每隔一个时钟周期，计数器就就计数一次，定时器的时间就是计数器计数值x时钟周期。

（2）定时器内部有1个寄存器TCNT，计时开始时我们会把一个总的计数值（譬如说300）放入TCNT寄存器中，然后每隔一个时钟周期（假设为1ms）TCNT中的值会自动减1（硬件自动完成，不需要CPU软件去干预），知道TCNT中减为0的时候，TCNT就会触发定时器中断。最后的计时时间就是300ms。

（3）定时时间是由2个东西共同决定的：一个是TCNT中的计数值，一个是时钟周期。譬如上例中，定时周期就为300x1ms=300ms。

4. 定时器和看门狗、RTC、蜂鸣器的关系

（1）这几个东西都是和时间有关的部件

（2）看门狗其实就一个定时器，只不过定时时间到了之后不只是中断，还可以复位CPU

（3）RTC是是实时时钟，它和定时器的差别就好像闹钟（定时器）和钟表（RTC）的差别一样。

（4）蜂鸣器是一个发声的设备，

在ARM里面蜂鸣器是用定时器模块来驱动的。

5. S5PV210的定时器

在S5PV210内部，一共有4类定时器件。这4类定时器件的功能、特征是不同的。

（1）PWM定时器

这种是最常用的，平时所说的定时器一般指的是这个。像简单单片机（譬如51单片机）中的定时器也是这一类。

为什么叫PWM定时器，因为一般SoC中产生PWM信号都是靠这个定时器模块的。

（2）系统（指操作系统）定时器

系统定时器也是用来产生固定时间间隔（TCNTX时钟周期）信号的，称为systick，这个systick用来给操作系统提供tick信号。

产生systick作为操作系统的时间片（time slice）的。

一般做操作系统移植的时候，这里不会由我们自己来做，一般原厂提供的基础移植部分就已经包含了。

（3）看门狗定时器

看门狗定时器本质上也是一个定时器，和上面2个没有任何区别。

看门狗定时器可以设置在时间到了的时候产生中断，也可以选择发出复位信号复位CPU（比一般的定时器多了这个功能）。

定时器归零前去喂狗，要不然看门狗定时器会复位系统。如果程序跑飞了，就没人去喂狗了，看门狗定时器会复位系统。

普通的定时是产生一个中断，看门狗定时器是产生一个复位信号。

看门狗定时器在实践中应用很多，尤其是工业领域（环境复杂、干扰多）机器容易出问题，而且出问题后后果很严重，此时一般都会用看门狗来进行系统复位。

（4）实时时钟RTC（real time clock）

区分时间段和时间点：时间段是相对的，两个时间点相减就会得到一个时间段；而时间点是绝对的，是绝无仅有的一个时间点。

定时器关注的是时间段（而不是时间点），定时器计时从开启定时器的那一刻开始，到定时间段结束为止中断。RTC中工作用的是时间点（xx年x月x日x分x秒星期x）。

RTC和定时器的区别，就相当于是钟表（没有闹钟功能的那种）和闹钟（不能看时间的那种，比如风扇定时）的区别。

6. 为什么叫PWM定时器

（1）叫定时器说明它本质上的原理是定时器。

（2）叫PWM定时器，是因为这个定时器天然是用来产生PWM波形的。（和普通定时器没啥区别，就像外卖自行车就是专门用来送外卖的，本质上还是自行车啊）

（3）S5PV210有5个PWM定时器。其中0、1、2、3各自对应一个外部GPIO，可以通过这些对应的GPIO产生PWM波形信号并输出；timer4没有对应的外部GPIO（因此不是为了生成PWM波形而是为了产生内部定时器中断而生的）

（4）S5PV210的5个PWM定时器的时钟源为PCLK_PSYS，timer0和timer1共同使用一个预分频器、timer2、3、4共同使用一个预分频器；每一个timer有一个专用的独立的分频器；预分频器和分频器构成2级分频系统，将PCLK_PSYS分两级分频后生成的时钟供给timer模块作为时钟周期。

图中MUX（梯形）是多选一的开关

（5）S5PV210的PWM定时器框图简介

关键点：时钟源、预分频器、分频器、TCMPB&TCNTB、dead zone

（6）预分频器和分频器

两级分频是串联（级联）的、所以两级分频的分频数是相乘的。 两级分频的分频系数分别在TCFG0和TCFG1两个寄存器中设置。（编程就是通过设置寄存器来控制硬件，寄存器就是硬件的窗口）

预分频器有2个，Prescaler0为timer0&timer1共用；prescaler1为timer2、3/4共用；两个prescaler都是8个bit位，因此prescaler value范围为0~255；所以预分频器的分频值范围为1~256（注意实际分频值为prescaler value +1）。

分频器实质是一个MUX开关，多选一开关决定了走哪个分频系数路线。可以选择的有1/1,1/2,1/4,1/8,1/16等。

计算一下，两级分频下来，分频最小为1/2，最大分频为1/256 x 16（1/4096）

在PCLK_PSYS为66MHz的情况下（默认时钟设置就是66MHz的），此时两级分频后的时钟周期范围为0.03us到62.061us；

再结合TCNTB的值的设置（范围为1~2的32次方），可知能定出来的时间最长为266548.27s（折合74小时多，远远够用了）。

（7）TCNT&TCMP、TCNTB&TCMPB  TCNTO

TCNT&TCNTB是相对应的，TCNTB是有地址的寄存器，供程序员操作；TCNT在内部和TCNTB相对应，它没有寄存器地址，程序员不能编程访问这个寄存器。TCNTB的值一直保持程序员放进去的值，真正用来减的值是TCNT，刚开始TCNTB把写进来的值复制一份给了TCNT。TCNTO是用来实时读取TCNT寄存器的值的。

总结：因为TCNT寄存器不能读写，其功能是用来减1的，它是内部的。往TCNT里面写靠TCNTB，读靠TCNTO

工作流程就是：我们事先算好TCNT寄存器中开始减的那个数（譬如300），然后将之写入TCNTB寄存器中，在启动timer前，将TCNTB中的值刷到TCNT寄存器中（有一位寄存器专门用来操作刷数据过去的），刷过去后就可以启动定时器开始计时；在计时过程中如果想知道TCNT寄存器中的值减到多少了，可以读取相应的TCNTO寄存器来得知。

定时功能只需要TCNT、TCNTB两个即可；TCNTO寄存器用来做一些捕获计时。TCMPB用来生成PWM波形。

（8）自动重载和双缓冲（auto-reload and double buffering）

定时器工作的时候，一次定时算一个工作循环。定时器默认是单个循环工作的，也就是说定时一次，计时一次，到期中断一次就完了。下次如果还要再定时中断，需要另外设置。

但是现实中用定时器来做的时候往往 是循环的，最简单最笨的方法就是写代码反复重置定时器的值（在每次中断处理的isr中再次给TCNTB中赋值，再次刷到TCNT中再次启动定时器），早期的单片机定时器就是这样的。但是现在的高级SoC中的定时器已经默认内置了这种循环定时工作模式，就叫自动装载（auto-reload）机制。

自动装载机制就是当定时器初始化好开始计时后在不用管了，他一个周期到了后会自己从TCNTB中再次装载值到TCNT中，再次启动定时器开始下个循环。

7.  什么是PWM

（1）PWM（Pulse Wide Modulation脉宽调制）

（2）PWM波形是一个周期性波形，周期为T，在每个周期内波形是完全相同的。每个周期内由一个高电平和一个低电平组成。

（3）PWM波形有2个重要参数：一个是周期T，另一个是占空比duty（占空比就是一个周期内高电平的时间除以周期时间的商）

（4）对于一个PWM波形，知道了周期T和占空比duty，就可以算出这个波形的所有细节。譬如高电平时间为T*duty，低电平时间为T*(1-duty）。

（5）PWM波形有很多用处，譬如通信上用PWM来进行脉宽调制对基波进行载波调制；在发光二极管LED照明领域可以用PWM波形来调制电流进行调光。用来驱动蜂鸣器等设备。

8. PWM波形的生成原理

（1）PWM波形其实就是用时间来控制电平高低，所以用定时器来实现PWM波形是天经地义的。

（2）早期的简单单片机里（譬如51单片机）是没有专用的PWM定时器的，那时候我们需要自己结合GPIO和定时器模块来手工生产PWM波形（流程是这样：先将GPIO引脚电平拉高、同时启动定时器定T*duty时间，时间到了在isr中将电平拉低，然后定时T*（1-duty）后再次启动定时器，然后时间到了在isr中将电平拉高，然后再定时T*duty时间再次启动定时器...如此循环即可得到周期为T，占空比为duty的PWM波形）。

（3）后来因为定时器经常和PWM产生纠结一起，所以设计SoC的时候就直接把定时器和一个GPIO引脚内部绑定起来了，然后在定时器内部给我们设置了PWM产生机制，可以更方便的利用定时器产生PWM波形。此时我们利用PWM定时器来产生PWM波形再不用中断了。绑定了之后坏处就是GPIO引脚是固定的、死板的、不能随便换的；好处是不能进入中断ISR中，直接可以生成PWM。

（4）在S5PV210中，PWM波形产生有2个寄存器很关键，一个是TCNTB、一个是TCMPB。其中，TCNTB决定了PWM波形的周期，TCMPB决定了PWM波形的占空比。

（5）最终生成的PWM波形的周期是TCNTBx时钟周期（PCLK_PSYS经过两级分频后得到的时钟周期）。注意这个周期是PWM中高电平+低电平的总时间，不是其中之一。

（6）最终生成的PWM波形的占空比：TCMPB/TCNTB

TCMPB就是用来和TCNT进行比较的，一旦TCNT的值比TCMPB小，GPIO电平就会翻转

上图上侧水平的代表TCMPB，斜的代表TCNTB

9. 输出电平翻转器

（1）PWM定时器可以规定：当TCNT>TCMPB时为高电平，当TCNTTCMPB时为低电平，当TCNT