一、前言

大家好，这里是 Hello_Embed。在嵌入式开发中，高精度计时是诸多场景的核心需求 —— 比如驱动 DHT11 温湿度传感器、DS18B20 温度传感器时，需要精确到微秒（μs） 的时序控制；而 HAL 库自带的 HAL_Delay() 函数最小单位是 1 毫秒（ms），精度过于粗糙，无法满足这类需求。
本文将聚焦 SysTick 系统定时器（ARM 内核自带），通过底层逻辑解析与代码实现，完成 “微秒级延时” 和 “纳秒级系统上电时间获取”，解决高精度计时难题。

二、SysTick 概述：内核自带的 “通用定时器”

在编写代码前，需先明确 SysTick 的核心特性与设计意义，这是理解后续逻辑的基础。

2.1 SysTick 基本属性

  • 本质：集成在 NVIC（嵌套向量中断控制器）中的 24 位向下计数器；
  • 计数规则：每接收 1 个时钟脉冲，计数值（SysTick->VAL 寄存器）自减 1；当计数值减至 0 时，触发 SysTick 中断，同时自动将 SysTick->LOAD 寄存器的预设值载入 VAL，重新开始计数；
  • 时钟来源：默认使用系统时钟（如 72MHz），也可配置为 “系统时钟 / 8”（本文用系统时钟以保证最高精度）。

2.2 为什么需要 SysTick？

不同厂家的 STM32 外部定时器（如 TIM2、TIM3）型号、寄存器定义可能存在差异，导致基于外部定时器的代码移植困难。而 SysTick 是 ARM 内核统一设计的定时器，无论外部定时器如何变化，其操作逻辑（寄存器、中断机制）完全一致 —— 这也是它被称为 “系统定时器” 的核心原因：保证代码跨芯片兼容。

三、CubeMX 配置与 SysTick 默认时序

SysTick 的配置极其简单，CubeMX 会自动完成初始化，我们只需理解其默认时序即可。

3.1 CubeMX 配置步骤

  1. 打开 CubeMX 工程，进入 SYS 配置界面；
  2. “Timebase Source”（时间基准源）默认选择 SysTick（无需手动修改），截图如下：
    请添加图片描述

3.2 默认时序：1kHz 中断（1ms 一次）

生成工程后，跟踪代码初始化流程：HAL_Init() → HAL_InitTick() → 配置 uwTickFreq，关键代码如下：

// HAL_InitTick() 中定义的 SysTick 中断频率
HAL_TickFreqTypeDef uwTickFreq = HAL_TICK_FREQ_DEFAULT;  /* 1KHz */
  • HAL_TICK_FREQ_DEFAULT 对应 1kHz，即 SysTick 每 1 秒产生 1000 次中断，每次中断间隔 1ms；
  • 这个频率是 HAL 库的默认时间基准：HAL_Delay() 函数就是通过 “每 1ms 让 uwTick 变量加 1，延时 Nms 即等待 uwTick 增加 N” 实现的。

四、SysTick 底层初始化解析：寄存器配置逻辑

要实现高精度计时，必须理解 SysTick 的底层初始化 —— 核心是 4 个关键寄存器的配置，代码路径为：HAL_Init() → HAL_InitTick() → HAL_SYSTICK_Config() → SysTick_Config()，关键代码如下：

SysTick->LOAD  = (uint32_t)(ticks - 1UL);  /* 1. 配置重装寄存器（LOAD） */
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);  /* 2. 配置中断优先级 */
SysTick->VAL   = 0UL;  /* 3. 清零当前计数值寄存器（VAL） */
SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |  /* 4. 配置控制寄存器（CTRL） */
                 SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
return (0UL);

4.1 各寄存器功能详解

  1. 重装寄存器（SysTick->LOAD）
    • 作用：存储 “自动重装值”—— 当 VAL 减至 0 时，会自动将 LOAD 的值载入 VAL，确保计数循环；
    • 示例：系统时钟 72MHz 下，要实现 1ms 中断，需 72000 个时钟脉冲（72MHz × 1ms = 72000），因此 LOAD = 72000 - 1 = 71999（计数从 71999 减至 0，共 72000 次）。
  2. 中断优先级配置（NVIC_SetPriority）
    • 作用：设置 SysTick 中断的优先级，避免被低优先级中断阻塞，确保计时精度；
    • 此处配置为最低优先级（(1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL），不影响核心业务逻辑。
  3. 当前计数值寄存器（SysTick->VAL）
    • 作用：存储当前计数进度，初始化时清零，保证计数从预设的 LOAD 值开始，避免初始值混乱。
  4. 控制寄存器（SysTick->CTRL）
    • 作用：控制 SysTick 的使能与工作模式，各 bit 含义：
      • SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk：选择系统时钟作为计数时钟；
      • SysTick_CTRL_TICKINT_Msk：使能 SysTick 中断（计数值到 0 时触发）；
      • SysTick_CTRL_ENABLE_Msk：使能 SysTick 定时器，开始计数。

五、高精度计时原理：从 1ms 到 1μs、1ns

SysTick 默认是 1ms 中断，但我们可通过 “实时读取 VAL 寄存器值”，计算流逝的时钟数，进而实现更细粒度的计时 —— 核心是解决 “计数溢出” 问题。

5.1 核心计算公式

基于 SysTick 默认配置（系统时钟 72MHz，LOAD = 71999）：

  • 1 个时钟周期 = 1/72 μs ≈ 0.0139 μs；
  • LOAD + 1 = 72000 个时钟周期 = 1ms（72000 × 1/72 μs = 1000 μs）；
  • 推导：
    • 1 μs 对应的时钟数 = (LOAD + 1) / 1000 = 72；
    • n μs 对应的时钟数 = n × 72；
    • 纳秒级时间 = 毫秒级时间（HAL_GetTick()）× 1e6 + 当前剩余时钟对应的纳秒。

5.2 关键问题：计数溢出处理

SysTick 是 “向下计数”，当 VAL 从 0 重新载入 LOAD 时，会产生 “溢出”—— 此时读取的 VAL 新值会大于旧值（例如旧值 100，新值 71999），需分两种情况计算流逝的时钟数：

  • 无溢出（旧值 ≥ 新值）：流逝时钟数 = 旧值 - 新值；
  • 有溢出（旧值 < 新值）：流逝时钟数 = 旧值 + (LOAD + 1) - 新值（旧值到 0 的时钟数 + 0 到新值的时钟数）。

六、核心函数实现：微秒 / 毫秒延时 + 纳秒级时间获取

新建 driver_timer.c 和 driver_timer.h（文件添加到工程的步骤省略），实现三个核心函数，满足不同精度需求。

6.1 微秒延时函数（udelay）

功能：实现 n 微秒的精确延时，通过循环等待 “累计流逝时钟数 ≥ 目标时钟数”。

#include "stm32f1xx_hal.h"

/**
 * @brief  微秒延时函数
 * @param  us：要延时的微秒数（范围：1~任意，需确保不溢出）
 * @retval 无
 */
void udelay(int us)
{
    uint32_t told = SysTick->VAL;    // 记录延时开始时的 VAL 值（旧值）
    uint32_t tnow;                   // 记录实时 VAL 值（新值）
    uint32_t load = SysTick->LOAD;   // 获取 LOAD 寄存器值
    uint32_t ticks;                  // 目标：n μs 对应的时钟周期数
    uint32_t cnt = 0;                // 累计流逝的时钟周期数

    // 计算 n μs 对应的时钟数：(LOAD+1) 个时钟 = 1ms → 1μs = (LOAD+1)/1000 个时钟
    ticks = us * (load + 1) / 1000;

    while (1)
    {
        tnow = SysTick->VAL;         // 读取实时 VAL 值
        if (told >= tnow)            // 无溢出：旧值 ≥ 新值
        {
            cnt += told - tnow;      // 累加流逝的时钟数
        }
        else                         // 有溢出：旧值 < 新值（VAL 从 0 重装了 LOAD）
        {
            cnt += told + (load + 1) - tnow;  // 累加溢出后的总时钟数
        }

        if (cnt >= ticks)            // 累计时钟数达到目标，退出循环
            break;

        told = tnow;                 // 更新旧值，准备下一次计算
    }
}

6.2 毫秒延时函数（mdelay）

功能：基于微秒延时函数实现，1 毫秒 = 1000 微秒，循环调用 udelay(1000) 即可。

/**
 * @brief  毫秒延时函数
 * @param  ms：要延时的毫秒数（范围：1~任意）
 * @retval 无
 */
void mdelay(int ms)
{
    for (int i = 0; i < ms; i++)     // 循环 ms 次，每次延时 1000 μs（1ms）
        udelay(1000);
}

6.3 纳秒级系统上电时间获取（system_get_ns）

功能：获取从系统上电到当前时刻的总时间，精度到纳秒（ns），核心是 “毫秒级时间 + 剩余时钟对应的纳秒”。

/**
 * @brief  获取系统上电到当前的总时间（单位：ns）
 * @param  无
 * @retval 系统上电总时间（纳秒）
 * @note   存在小bug：未处理 tnow=0 的极端情况，日常使用影响极小
 */
uint64_t system_get_ns(void)
{
    uint64_t ns = HAL_GetTick();     // 1. 获取毫秒级时间（uwTick 的值，1ms 加 1）
    ns = ns * 1000000;               // 转换为微秒，后续再转纳秒

    uint32_t tnow = SysTick->VAL;    // 2. 获取当前 VAL 值（当前计数进度）
    uint32_t load = SysTick->LOAD;   // 获取 LOAD 值

    // 计算当前毫秒内已流逝的时钟数：(LOAD+1) - tnow（从 LOAD 减到 tnow 的总次数）
    uint64_t cnt = (load + 1) - tnow;

    // 计算当前毫秒内已流逝的纳秒数：cnt 个时钟 × 每个时钟的纳秒数（1e9 / (load+1)）
    ns += cnt * 1000000000 / (load + 1);

    return ns;                       // 返回总纳秒数
}

七、测试验证：LED 闪烁 + OLED 显示上电时间

在 main.c 中调用上述函数，验证高精度计时效果 —— 实现 “LED 每 500ms 闪烁” 和 “OLED 显示系统上电时间（纳秒级）”。

7.1 测试代码

#include "driver_timer.h"
#include "driver_oled.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

int main(void)
{
    // 1. 初始化外设
    HAL_Init();          // HAL 库初始化（含 SysTick 初始化）
    MX_GPIO_Init();      // GPIO 初始化（配置 LED 引脚 PC13）
    OLED_Init();         // OLED 初始化（用于显示时间）
    OLED_Clear();        // OLED 清屏

    // 2. 获取系统上电时间并显示
    uint64_t power_on_time = system_get_ns();
    OLED_PrintString(0, 0, "Power-on Time(ns):");  // 显示标题
    OLED_PrintSignedVal(0, 2, power_on_time);       // 打印纳秒级时间

    // 3. LED 循环闪烁（500ms 亮/500ms 灭）
    while (1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // LED 亮（PC13 低电平有效）
        mdelay(500);                                            // 延时 500ms

        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // LED 灭（PC13 高电平）
        mdelay(500);                                            // 延时 500ms
    }
}

7.2 测试现象

  • LED 状态：每 500ms 稳定闪烁一次，延时精度无明显偏差；
  • OLED 显示：清晰显示系统上电时间，例如 805500000ns（即 805.5ms），与实际时间相差不大，截图如下：
    请添加图片描述

八、结尾

本文通过 SysTick 系统定时器，成功实现了 “微秒级延时” 和 “纳秒级时间获取”，解决了 HAL 库自带延时精度不足的问题。SysTick 的核心优势是 无需依赖外部定时器、代码跨芯片兼容，适合作为通用高精度计时方案。
下一篇，我们将进一步学习 “外部通用定时器” 的高精度延时实现 —— 外部定时器支持更多时钟来源和计数模式，适用场景更灵活。
Hello_Embed 继续带你从内核定时器到外部定时器，逐步掌握 STM32 高精度计时的全场景应用，敬请期待～

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