《ESP32-P4开发指南— V1.0》第十五章 System Timer实验

正点原子运营 · 发表于 10 小时前

第十五章 System Timer实验

1）实验平台：正点原子DNESP32P4开发板

2）章节摘自【正点原子】ESP32-P4开发指南— V1.0

3）购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?id=873309579825

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32P4.html

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系统定时器（System Timer）是ESP32-P4芯片中的核心外设之一，专为实现精确计时和事件触发而设计。系统定时器提供高分辨率的计数功能，可生成精确的时间中断，广泛应用于操作系统的Tick计时、定时任务的触发、低功耗模式下的时间管理等场景。在本章节中，我们将详细探讨系统定时器的结构、时钟源配置、计数器与比较器的工作机制、以及如何利用这些功能进行应用开发。通过学习本章节，读者将能够掌握如何利用ESP32-P4的系统定时器实现精确的时间控制，为构建更高效的应用打下坚实基础。
15.1 System Timer简介
15.2 硬件设计
15.3 程序设计
15.4 下载验证

15.1 System Timer简介
ESP32-P4的系统定时器为52位计数器，主要用于操作系统的Tick中断生成，也可作为通用定时器，用于生成周期性或一次性中断。它具有以下特点：
1）双计数器与三比较器：具备两个计数器（UNIT0和UNIT1）和三个比较器（COMP0、COMP1、COMP2），支持多种中断触发配置。
2）APB_CLK依赖：系统定时器的寄存器配置等软件操作依赖APB_CLK时钟信号。
3）CNT_CLK生成：CNT_CLK计数时钟由40 MHz的XTAL_CLK提供，经过分频后，频率平均为16 MHz。
4）报警模式：支持目标模式（一次性报警）和周期模式（周期性报警）。
5）软件配置支持：在轻度休眠唤醒后，可加载RTC计时器的睡眠时间。
接下来，我们将查看ESP32-P4系统定时器的结构简图，如下图所示。

图15.1.1 系统定时器结构简图

上图展示了ESP32-P4系统定时器的结构，包括计数单元和比较器的连接关系，主要组件有：
1）计数单元：Timer Counter0（UNIT0）和Timer Counter1（UNIT1），分别用于独立记录计时信息，并可根据需求进行配置。
2）MUX（多路复用器）：选择计数单元（UNIT0或UNIT1）的输出，并将其发送至不同的比较器，以灵活设置报警事件。
3）比较器：Timer Comparator0、Timer Comparator1和Timer Comparator2，用于接收计数单元的输出，并将其与预设报警值进行比较，生成独立的定时中断。
接下来，笔者将讲解ESP32-P4系统定时器的时钟源选择和控制方法。

15.1.1 系统定时器的时钟源选择
声明：以下章节的寄存器均来自《ESP32-P4技术参考手册》。
在图15.1.1中，计数器和比较器可以选择XTAL_CLK（外部石英晶振）或RC_FAST_CLK（快速RC时钟）作为时钟源。时钟源选择通过配置寄存器HP_SYS_CLKRST_PERI_CLK_CTRL21_REG中的HP_SYS_CLKRST_REG_SYSTIMER_CLK_SRC_SEL字段实现，如下图所示。

图15.1.1配置系统定时器的时钟源

当选择XTAL_CLK作为计数器的时钟源时，通过将XTAL_CLK频率缩小2.5倍，生成频率为CNT_CLK的计数器时钟信号，其平均频率为16 MHz。在每个CNT_CLK周期内，计数器会递增1，计数间隔为1/16µs（计数器每计数16次为1µs）。在15.1.3小节中，笔者将重点讲解计数器与比较器如何协同开启定时器的警报机制。

15.1.2 系统定时器的控制和操作时钟源
系统定时器的软件操作（如寄存器配置）使用APB_CLK作为时钟源。关于APB_CLK的详细信息，请参考《ESP32-P4技术参考手册》中的第8章“Reset and Clock”。为使系统定时器接收APB_CLK信号，需要在HP_SYS_CLKRST_SOC_CLK_CTRL2_REG寄存器中设置HP_SYS_CLKRST_REG_SYSTIMER_APB_CLK_EN位。此外，要重置系统定时器，可在HP_SYS_CLKRST_HP_RST_EN1_REG寄存器中设置HP_SYS_CLKRST_REG_RST_EN_STIMER位（见下图所示）。注意：定时器复位后，其寄存器将恢复到默认值。

图15.1.2.1 控制和操作系统定时器

15.1.3 系统定时器的警报生成机制
系统定时器的定时警报功能至关重要，它可以在特定时间点触发事件或中断处理。系统定时器通过计数器和比较器的配合实现警报生成与触发。图15.1.3.1展示了系统定时器中警报的生成流程，本文将详细讲解该流程的工作机制。

图15.1.3.1 系统定时器中警报的生成流程

ESP32-P4系统定时器包含两个计数器（Timer Counter）和三个比较器（Timer Comparator）。警报生成的具体步骤如下：
1）时钟源与计数器
系统定时器通过分频器（DIV）将XTAL_CLK的主时钟信号频率缩小2.5倍，生成频率为16 MHz的CNT_CLK计数时钟信号。在每个CNT_CLK周期内，计数器（Timer Counter）递增计数值以形成基准时间。
如前所述，系统定时器配备两个52位的计数器，计数时钟源为16 MHz，意味着每次计数的时间间隔为1/16 µs。计数器与CPUx（x：0~1）的工作状态可通过SYSTIMER_CONF_REG寄存器控制，主要设置包括：
①：启用计数器（SYSTIMER_TIMER_UNITn_WORK_EN）：你可以通过设置这个选项来启动计数器。
②：CPU0暂停控制（SYSTIMER_TIMER_UNITn_CORE0_STALL_EN）：如果你设置了这个选项，当CPU0暂停工作时，计数器会停止计数；一旦CPU0恢复，计数器会继续计数。
③：CPU1暂停控制（SYSTIMER_TIMER_UNITn_CORE1_STALL_EN）：如果你设置了这个选项，当CPU1暂停工作时，计数器会停止计数；一旦CPU1恢复，计数器会继续计数。
下图展示了在CPU暂停时对计数器UNITn（n：0~1）的配置位。

图15.1.3.2 计数器与CPU的联系

通过上述寄存器位机制，系统定时器能够精确跟踪时间，并灵活适应CPUx的工作状态。接下来，笔者将详细讲解计数器的工作原理及相关寄存器。
当计数器UNITn工作时，计数值递增；停止时则保持不变。初始计数值的低32位和高20位从寄存器SYSTIMER_TIMER_UNITn_LOAD_LO和SYSTIMER_TIMER_UNITn_LOAD_HI中加载。写入1到SYSTIMER_TIMER_UNITn_LOAD会触发重新加载事件，当前计数值立即更新；若UNITn正在工作，计数器将从新加载值继续计数。
此外，若向SYSTIMER_TIMER_UNITn_UPDATE写入1会触发更新事件，则当前计数值的低32位和高20位将锁定到寄存器SYSTIMER_TIMER_UNITn_VALUE_LO和SYSTIMER_TIMER_UNITn_VALUE_HI中，并将SYSTIMER_TIMER_UNITn_VALUE_VALID置为有效。值在下一次更新事件之前保持不变。
2）计数器与比较器的比较操作
计数器生成的计时值实时传递到比较器（Timer Comparator）。比较器具备多种配置寄存器（如：SYSTIMER_TARGETx_WORK_EN、SYSTIMER_TARGETx_PERIOD_MODE、SYSTIMER_TARGETx_PERIOD、SYSTIMER_TARGETx_LO_REG、SYSTIMER_TARGETx_HI_REG等），用于设置比较器的工作模式和目标值（x：0~2）。
SYSTIMER_CONF_REG寄存器中的SYSTIMER_TARGETx_WORK_EN位如图所示。

图15.1.3.3 开启比较器COMP0、COMP1和COMP2

上图的寄存器位是用来开启系统定时器的三个比较器。
SYSTIMER_TARGETx_CONF_REG寄存器中的SYSTIMER_TARGETx_PERIOD_MODE和SYSTIMER_TARGETx_PERIOD（x为比较器0~2的索引）位描述如下图所示。

图15.1.3.4 配置比较器

上图中，SYSTIMER_TARGETx_PERIOD位用于设置定时警报周期（δt）。当模式为周期模式时，定时器将在设定时间间隔（t1 + n*δt）内持续触发警报。SYSTIMER_TARGETx_PERIOD_MODE位用于配置比较器为单次触发或周期性触发。同时，SYSTIMER_TARGETx_TIMER_UNIT_SEL用于指定计数器，以获取其计数值进行比较。SYSTIMER_TARGETx_LO_REG和SYSTIMER_TARGETx_HI_REG寄存器用于设定52位警报数值的低32位和高20位。在单次触发模式下，通过对这两个寄存器的配置可以设定所需的警报值，如下图所示。

图15.1.3.5 配置警报值

3）触发中断信号
当计数器的值达到比较器设置的目标值时，比较器会生成一个Timer Interrupt警报信号，并将该信号发送至CPU中断矩阵（CPU Interrupt Matrix）。中断矩阵负责处理中断信号，并触发相应的中断服务程序（ISR）。
通过对比较器的配置，开发者可以灵活地设置警报时间和触发的中断，利用系统定时器进行高效的事件调度。

15.1.4 系统定时器的比较器及警报生成机制解析
以下是根据前面小节内容总结的系统定时器原理，希望读者能对其有更深入的认识和学习。
根据前面的知识，我们了解到ESP32-P4的系统定时器配备三个52位比较器（COMPx，x = 0, 1, 2），能够根据不同的警报值（t）或警报周期（δt）生成独立的中断。每个COMPx的工作模式可通过配置寄存器SYSTIMER_TARGETx_PERIOD_MODE来选择，主要包括周期模式和单次模式：
1）周期模式：警报周期（δt）由寄存器SYSTIMER_TARGETx_PERIOD提供。假设当前计数值为t1，当计数值达到（t1 + δt）时，会生成一个警报中断；当计数值再次达到（t1 + 2*δt）时，另一个警报中断将生成，从而实现周期性警报。
2）单次模式：警报值（t）的低32位和高20位由SYSTIMER_TIMER_TARGETx_LO和SYSTIMER_TIMER_TARGETx_HI提供。假设当前计数值为t2（t2 ≤ t），当计数值t2达到警报值（t）时，将生成一次警报中断。与周期模式不同，单次模式仅生成一次警报中断。
此外，SYSTIMER_TARGETx_TIMER_UNIT_SEL用于选择用于比较生成警报的计数值来源：1表示使用来自UNIT1的计数值，0表示使用来自UNIT0的计数值（请参考图15.1.3.4）。设置SYSTIMER_TARGETx_WORK_EN可启用COMPx进行计数值比较。在单次模式下，COMPx将与警报值（t）进行比较；在周期模式下，则与起始值加上n倍警报周期（t1 + n * δt）进行比较。
警报生成的条件是，当计数值等于警报值（t）时（在单次模式）或等于起始值加上n倍警报周期（在周期模式）时，警报将被触发。如果寄存器中设置的警报值（t）小于当前计数值，即目标已过，当当前计数值大于警报值（t）并在范围（0 ~ 251 – 1）内时，也会立即生成警报中断，如下表所示。

表15.1.4.1 系统定时器警报触发点

注意：无论是在目标模式还是周期模式，实际警报值的低32位和高20位始终可以从SYSTIMER_TARGETx_LO_RO和SYSTIMER_TARGETx_HI_RO读取。

15.2 硬件设计

15.2.1 例程功能
开启高精度定时器，并设置时间为1s，在定时周期内翻转LED0电平状态。

15.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED 0 - IO51
2）Systimer

15.2.3 原理图
本章实验使用的系统定时器为ESP32-P4的片上资源，因此并没有相应的连接原理图。

15.3 程序设计

15.3.1 SysTimer的IDF驱动
SysTimer外设驱动位于ESP-IDF的components\esp_timer目录。该目录中的include文件夹存放SysTimer相关的头文件，声明了SysTimer函数和结构体等；而src文件夹则存放实际的SysTimer操作函数。要使用SysTimer功能，必须先导入以下头文件。

#include "esp_timer.h"

复制代码

接下来，作者将介绍一些常用的SysTimer函数，这些函数的描述及其作用如下：

1，创建系统定时器esp_timer_create
该函数用于创建一个 ESP 定时器实例，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_create(const esp_timer_create_args_t* create_args,
esp_timer_handle_t* out_handle);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.1 esp_timer_create函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示如果某些create_args无效。
ESP_ERR_INVALID_STAT表示esp_timer库尚未初始化。
ESP_ERR_NO_MEM表示内存分配失败。
create_args为指向SysTimer配置结构体的指针。接下来，笔者将详细介绍esp_timer_create_args_t结构体中的各个成员变量，如下代码所示：

typedef struct {
esp_timer_cb_t callback; /* 定时器到期时执行的回调函数 */
void* arg; /* 传递给回调的参数 */
/* 从任务或 ISR 调度回调的方法；
如果未指定，将使用 esp_timer 任务，
要使 ISR 工作，还需设置 Kconfig 选项
`CONFIG_ESP_TIMER_SUPPORTS_ISR_DISPATCH_METHOD` */
esp_timer_dispatch_t dispatch_method;
const char* name; /* 定时器名称，在esp_timer_dump()函数中使用 */
bool skip_unhandled_events; /* 设为跳过在轻睡眠状态下的周期性定时器未处理事件 */
} esp_timer_create_args_t;

复制代码

上述结构体用于配置SysTimer的定时参数，以下对各个成员做简单介绍。
1）callback：
设置回调函数。根据esp_timer_cb_t类型编写回调。
2）arg：
设置回调函数传入形参。
3）dispatch_method：
设置调度模式。此字段可配置为ESP_TIMER_TASK定时器任务调度和ESP_TIMER_MA中断调度。
4）name：
定时器名称。
5）skip_unhandled_events
设置执行未处理事件。Flase：关闭；true：开启。

2，启动一个周期性定时器esp_timer_start_periodic
该函数用于启动周期性定时器，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_start_periodic(esp_timer_handle_t timer, uint64_t period);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.2 esp_timer_start_periodic函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示句柄无效。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示定时器已经在运行。

3，启动一次性定时器esp_timer_start_once
该函数用于启动单次性定时器，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_start_once(esp_timer_handle_t timer, uint64_t timeout_us);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.3 esp_timer_start_once函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示句柄无效。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示定时器已经在运行。

4，重新启动当前运行的定时器esp_timer_restart
该函数用于重新启动当前运行的定时器，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_restart(esp_timer_handle_t timer, uint64_t timeout_us);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.4 esp_timer_restart函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示表示成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示句柄无效。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示定时器已经在运行。

5，停止运行的定时器esp_timer_stop
该函数用于停止运行的定时器，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_stop(esp_timer_handle_t timer);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.5 esp_timer_stop函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示成功。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示定时器未在运行。

6，删除一个 esp_timer 实例esp_timer_delete
该函数删除一个 esp_timer 实例，其函数原型如下：

esp_err_t esp_timer_delete(esp_timer_handle_t timer);

复制代码

函数形参：

表15.3.1.6 esp_timer_delete函数形参描述

返回值：
ESP_OK表示成功。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示定时器仍在运行。

15.3.2 程序流程图

图15.3.2.1 SysTimer实验程序流程图

15.3.3 程序解析
在05_esptimer例程中，作者在05_esptimer\components\BSP路径下新建ESPTIMER文件夹，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。

1，SysTimer驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。ESPTIMER驱动源码包括两个文件：esptimer.c和esptimer.h。
esptimer.h主要用于声明esptimer_init等函数，以便在其他文件中调用，具体内容不再赘述。
下面我们再解析esptimer.c的程序，看一下初始化函数esptimer_init，代码如下：

/**
* @brief 初始化高分辨率定时器(ESP_TIMER)
* [url=home.php?mod=space&uid=271674]@param[/url] tps: 定时器周期,以微秒为单位(μs).
* 若以一秒为定时器周期来执行一次定时器中断,那此处tps = 1s = 1000000μs
* @retval 无
*/
void esptimer_init(uint64_t tps)
{
esp_timer_handle_t esp_tim_handle; /* 定义定时器句柄 */
/* 定义一个定时器结构体设置定时器配置参数 */
esp_timer_create_args_t timer_arg = {
.callback = &esptimer_callback, /* 计时时间到达时执行的回调函数 */
.arg = NULL, /* 传递给回调函数的参数 */
.dispatch_method = ESP_TIMER_TASK, /* 进入回调方式,从定时器任务进入 */
.name = "Timer", /* 定时器名称 */
};
/* 创建定时器 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_timer_create(&timer_arg, &esp_tim_handle));
/* 启动周期性定时器,tps设置定时器周期(us单位) */
ESP_ERROR_CHECK(esp_timer_start_periodic(esp_tim_handle, tps));
}

复制代码

esptimer_init函数用于初始化并启动一个周期性定时器。它接受一个微秒为单位的周期参数 tps，通过定义定时器句柄和配置参数，设置了回调函数、参数传递方式以及定时器名称。该函数内部首先创建定时器，然后启动它，使其按照设定的周期触发回调，执行特定的任务。整个过程通过错误检查确保创建和启动的成功，适用于需要定时执行操作的场景，如数据采集或状态监测。如下是系统定时器回调函数esptimer_callback的处理任务。

/**
* @brief 定时器回调函数
* @param arg: 不携带参数
* @retval 无
*/
void esptimer_callback(void *arg)
{
LED0_TOGGLE();
}

复制代码

esptimer_callback函数是定时器到期时执行的回调函数。它的参数arg可以用于传递任何额外的信息，但在这个实现中未使用。函数内部调用LED0_TOGGLE()，用于切换LED0的状，实现定时闪烁的效果。

2，CMakeLists.txt文件
本例程的功能实现主要依靠ESPTIMER驱动。要在main函数中，成功调用ESPTIMER文件中的内容，就得需要修改BSP文件夹下的CMakeLists.txt文件（重点看红色内容），修改如下：

set(src_dirs
LED
ESPTIMER)
set(include_dirs
LED
ESPTIMER)
set(requires
driver
esp_timer)
idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs}
REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

复制代码

3，main.c驱动代码
在main.c里面编写如下代码。

void app_main(void)
{
esp_err_t ret;
ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if(ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
led_init(); /* 初始化LED */
esptimer_init(1000000); /* 初始化ESP_TIMER */
while(1)
{
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); /* 延时10ms */
}
}

复制代码

app_main函数首先调用led_init和esptimer_init，分别用于初始化LED和配置系统定时器，设定定时需求为1秒。接着，通过一个无限循环与10毫秒的延时保持主任务的运行，这样应用程序在后台持续待命，以便能够及时响应定时器产生的中断事件。这种结构确保了程序的高效运行和对定时任务的及时处理。

15.4 下载验证
程序下载完成后，LED0在1s周期内电平状态翻转。

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