【STM32】一种基于Cortex-M内核的精确延时方法

Cortex-M内核是一种广泛应用于嵌入式系统中的32位微处理器内核，常常用于实现低功耗、高性能和高可靠性的应用程序。在某些应用场景中，需要对程序进行精确的延时控制，例如控制电机的启动时间、PWM波形的频率和占空比等。本文将介绍一种基于Cortex-M内核的精确延时方法，可以实现纳秒级别的精度。

1. 原理

Cortex-M内核中的SysTick定时器是一个24位的倒计时器，可以实现从1ms到2^24-1即16,777,215个时钟周期的定时。使用SysTick定时器可以实现微秒级别的延时控制，但是要实现纳秒级别的延时控制，则需要进行更高精度的计时方案。

通过测量实际的时钟周期数来精确计算时间，可以获得更高精度的计时结果。在Cortex-M内核中，我们可以使用DWT（Data Watchpoint and Trace）寄存器中的CYCCNT寄存器来实现对时钟周期数的精确计数。该寄存器可以指示芯片从上电以来经过的CPU周期数。为了实现ns级别的计时，需要将CPU的主频设置为较高的值。

2. 编程实现

代码实现方面，我们需要注意以下几个方面：

2.1 初始化SysTick定时器和DWT寄存器

首先，需要初始化SysTick定时器和DWT寄存器。SysTick定时器可由操作系统配置，以实现按周期运行的任务调度。需要将DWT寄存器使能，并设置其最高位表示1个时钟周期为1ns。

2.2 实现延时函数

对于精确的延时函数，可以采用以下步骤：

1. 获取当前的计数器值，并加上延时的时钟周期数，得到目标值。
2. 循环检测当前计数器值是否达到目标值。
3. 如果未到达目标值，则继续循环。

其中，第1步可以通过读取DWT寄存器中的CYCCNT寄存器来实现，得到当前的时钟周期数。由于计数器是无符号的，超出24位的部分会自动回卷，因此需要正确处理计数器溢出的情况。第2步可以通过判断当前的计数器值是否小于目标值来实现。由于循环次数非常多，需要优化循环判断条件，充分利用CPU的分支预测能力，避免分支预测失败的情况。

下面是基于CMSIS库的C语言实现样例代码：

```c
#include "stm32f4xx.h"
#include "cmsis_os.h"

#define CPU_FREQUENCY (SystemCoreClock / 1000000)
#define DELAY_UNIT_US 1000 // 1ms
#define DELAY_UNIT_NS (DELAY_UNIT_US * 1000)

volatile uint32_t *DWT_CYCCNT = (uint32_t *)0xE0001004;
volatile uint32_t *DWT_CONTROL = (uint32_t *)0xE0001000;
volatile uint32_t *SCB_DEMCR = (uint32_t *)0xE000EDFC;

void delay_ns(uint32_t ns) {
uint32_t start_time = *DWT_CYCCNT;
uint32_t target_time = start_time + ns;
while (*DWT_CYCCNT < target_time);
}

void SysTick_Init(void) {
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);
NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, osPriorityIdle);
}

int main(void) {
// Enable DWT trace
*SCB_DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
*DWT_CONTROL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;

// Initialize peripherals
SystemCoreClockUpdate();
SysTick_Init();

// Main loop
while (1) {
delay_ns(1000); // Delay for 1us
GPIO_ToggleBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
}
}
```

3. 总结

本文介绍了一种基于Cortex-M内核的精确延时方法，可实现纳秒级别的精度。该方法基于DWT寄存器中的CYCCNT寄存器，通过测量实际的时钟周期数来实现高精度的计时。需要注意的是，该方法只适用于要求精确控制时序的嵌入式系统中，对于普通的应用程序开发，使用其他延时函数即可。