STM32F103RET6 定时器 4（TIM4）深度技术解析

TIM4 是 STM32F103RET6 中的一个 16 位通用定时器，具备 4 个独立捕获/比较通道。其核心功能包括：基础定时、PWM 生成、输入捕获、正交编码器接口以及定时器间的触发同步。TIM4 挂载于 APB1 总线，当 APB1 预分频器（PPRE1）不等于 1 时，TIM4 的时钟频率 TIMxCLK 为 APB1 频率的两倍。在典型系统配置（SYSCLK = 72 MHz，AHB = 72 MHz，APB1 = 36 MHz，PPRE1 = 2）下，TIMxCLK = 2 × 36 MHz = 72 MHz。

TIM4 的主要技术规格：

计数器宽度：16 位（0 ～ 65535）
计数方向：向上、向下、中心对齐（1/2/3 模式）
预分频器范围：1 ～ 65536（由 16 位寄存器 PSC 实现）
捕获/比较通道数：4，每个通道可独立配置为输入或输出
中断源：更新事件、捕获/比较事件、触发事件

1. 基础定时器模式（时基单元）

时基单元由三个关键寄存器组成：

预分频器（TIMx_PSC）：16 位，对 TIMxCLK 进行分频。实际计数时钟频率 f_CK_CNT = TIMxCLK / (PSC + 1)。
自动重装载寄存器（TIMx_ARR）：16 位，定义计数器的周期值。启用预装载功能时，写入值在更新事件（UEV）发生时生效。
计数器（TIMx_CNT）：16 位，实时计数值，可随时读写。

1.1 定时周期计算

在向上计数模式下，定时器从 0 计到 ARR，然后重新从 0 开始，并产生一个更新事件（UEV）。一次完整计数周期的时间为：

更新事件的中断请求可通过 TIMx_DIER 寄存器的 UIE 位使能。

配置例程（寄存器级）：

// 假设 TIMxCLK = 72 MHz，目标周期 100 ms
// 选择 PSC = 7200 - 1 = 7199，则 CK_CNT = 10 kHz
// ARR = 1000 - 1 = 999，周期 = 100 ms
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM4EN;   // 使能 TIM4 时钟
TIM4->PSC = 7199;
TIM4->ARR = 999;
TIM4->CNT = 0;
TIM4->CR1 |= TIM_CR1_CEN;              // 使能计数器

2. PWM 波形生成（输出比较模式）

TIM4 的四个通道均可独立产生 PWM 信号，支持 边沿对齐模式（向上或向下计数）和 中心对齐模式（用于降低谐波）。核心在于通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1～4）与 CNT 的比较结果，以及输出极性控制。

2.1 PWM 频率与占空比

2.2 预装载与影子寄存器

为保证无毛刺的 PWM 波形更新，应启用 CCRx 预装载功能（TIMx_CCMRx 的 OCxPE 位）和 ARR 预装载功能（TIMx_CR1 的 ARPE 位）。新写入的 CCRx/ARR 值将在下一个更新事件（UEV）时被装入影子寄存器。

2.3 配置实例（CH1 输出 1 kHz，50% 占空比）

// 假设 TIMxCLK = 72 MHz
// 设置 PSC = 72 - 1 = 71，CK_CNT = 1 MHz
// ARR = 1000 - 1 = 999，则 f_PWM = 1 kHz
// CCR1 = 500，占空比 50%
TIM4->PSC = 71;
TIM4->ARR = 999;
TIM4->CCR1 = 500;
TIM4->CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1PE; // PWM 模式 1，预装载使能
TIM4->CCER |= TIM_CCER_CC1E;          // 输出使能
TIM4->CR1 |= TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN;

3. 输入捕获模式

输入捕获用于测量外部信号的频率、周期、占空比或脉宽。基本原理：检测到指定边沿（上升沿/下降沿）时，将 CNT 的瞬时值锁存到 CCR 寄存器并触发中断或 DMA。

3.1 输入通道信号调理

每个捕获通道可独立配置：

输入滤波器（TIMx_CCMRx 的 ICxF 位域，4 位）：以采样频率 f_DTS 对输入信号进行采样，连续 N 次相同才确认边沿，用于去抖。N 值从 2 到 8，采样频率可设为 f_CK_INT 的 1/2、1/4、1/8。
输入分频器（ICxPSC 位域）：每检测到 1、2、4 或 8 个边沿才进行一次捕获，用于低频信号的测量。
捕获边沿选择（TIMx_CCER 的 CCxP 和 CCxNP）：上升沿、下降沿或双沿。

3.2 典型应用：测量高电平脉宽

配置通道 1 为上升沿捕获，使能捕获中断。
中断服务中记录 CCR1 值 t1，然后切换为下降沿捕获。
下降沿到来时记录 t2，高电平时间 = (t2 - t1) × T_CK_CNT（需考虑计数器溢出）。

3.3 PWM 输入模式

TIM4 支持“PWM 输入模式”，硬件自动测量 PWM 信号的周期和占空比：将一个 TIx 信号同时映射到两个通道（例如 TI1FP1 和 TI1FP2），一个捕获周期，另一个捕获占空比。

4. 正交编码器接口

TIM4 可直接与增量式旋转编码器（AB 相）连接，无需软件干预即可更新计数器的值（根据相位差自动加减）。

4.1 工作原理

两个输入引脚（CH1 → A相，CH2 → B相）配置为编码器模式（TIMx_SMCR 的 SMS = 001/010/011b）。
硬件根据 A、B 两相的相位关系决定计数方向：
- 正向：A 相领先 B 相 90° → 计数器递增。
- 反向：B 相领先 A 相 90° → 计数器递减。
计数速率：可在每个边沿（TI1、TI2 或两者同时）进行更新。

4.2 配置要点

选择计数模式：SMS = 011b 表示在 TI1 和 TI2 的上升沿和下降沿都计数，提供最高四倍分辨率。
滤波器设置：根据编码器信号的噪声程度配置 ICxF 滤波。
计数范围：16 位，需配合 ARR 实现溢出管理。

TIM4->SMCR |= TIM_SMCR_SMS_2 | TIM_SMCR_SMS_1; // 编码器模式 3（双沿计数）
TIM4->CCER |= TIM_CCER_CC1E | TIM_CCER_CC2E;   // 使能 CH1/CH2 输入
TIM4->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC1F_0;               // 简单滤波，例如 IC1F = 001b

5. 定时器同步与主从模式

TIM4 可以作为主定时器向其他定时器输出触发信号（TRGO），也可以作为从定时器接收外部触发信号（ITR、ETR、TIx）。

5.1 主模式配置（TIM4 作为主）

通过 TIMx_CR2 的 MMS 位域选择 TRGO 信号源：

000：复位事件
001：使能事件
010：更新事件
011：比较脉冲（OC1REF）

5.2 从模式配置（TIM4 作为从）

TIMx_SMCR 的 SMS 位域定义从模式动作：

000：关闭
001：编码器模式
010：触发模式（TRGI 信号使计数器启动）
011：门控模式（TRGI 高电平时计数）
100：复位模式（TRGI 上升沿复位 CNT 及预分频器）
101/110/111：保留/外部时钟模式等

典型应用：TIM1 产生 PWM，TIM4 在其使能时开始计数，实现时序级联。

6. 引脚重映射（AFIO）

TIM4 的默认引脚为 PB6（CH1）、PB7（CH2）、PB8（CH3）、PB9（CH4）。通过 AFIO_MAPR 寄存器可实现部分重映射到 PD12（CH1）、PD13（CH2），PB6/PB7 被释放。

重映射步骤：

使能 AFIO 时钟：RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;
修改 AFIO->MAPR 中的 TIM4_REMAP 位（2 位）：
- 00：无重映射
- 01：部分重映射（CH1→PD12，CH2→PD13，CH3/CH4 保持不变）
- 10：保留
- 11：完全重映射（本芯片不支持完全重映射）

7. 中断与 DMA

中断源：更新中断（UIE）、捕获/比较中断（CC1IE～CC4IE）、触发中断（TIE）。通过 TIMx_DIER 使能。
DMA：支持更新事件 DMA 请求（UDE）、捕获事件 DMA 请求（CC1DE～CC4DE）。可在中断负载过高时使用 DMA 传输捕获数据或批量更新 CCR。

8. 性能与注意事项

计数器溢出频率：当 ARR = 0xFFFF，PSC = 0 时，最快计数频率为 72 MHz，每 0.91 μs 溢出一次。
最小脉宽测量：输入捕获的最小分辨率为 1 / f_CK_CNT，若 CK_CNT = 72 MHz，则理论分辨率 ~13.9 ns。实际受滤波器及 IO 翻转速率限制（约 50 MHz）。
编码器模式下的计数上限：最大输入边沿速率 = f_CK_CNT / 2，四倍频模式下最大 18 MHz 方波输入（72 / 4）。
输出比较精度：PWM 分辨率 = log₂(ARR+1) 位。ARR 最大 65535 时可达到 16 位分辨率，但频率会降低。

总结对比：TIM4 与其它定时器

特性	TIM4（通用）	TIM1/TIM8（高级）	TIM6/TIM7（基本）
计数器宽度	16 位	16 位	16 位
计数模式	向上/向下/中心对齐	向上/向下/中心对齐	向上
捕获/比较通道数	4	4 + 互补输出	0
死区插入/刹车功能	无	有	无
编码器接口	支持	支持	不支持
触发输出（TRGO）	支持	支持	支持
典型应用	通用定时、PWM、捕获	电机控制、电源逆变	DAC 触发、基础时基

TIM4 在 STM32F103 平台上提供了成本、功能和引脚数量之间的良好平衡，是大多数实时控制、信号测量和波形生成任务的理想选择。掌握其寄存器级配置逻辑，可以最大限度地发挥硬件性能，避免软件定时或位翻转带来的 CPU 开销。

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