以STM32为例讲解单片机硬件延时和软件延时的实现

原创玩转单片机与嵌入式 2023-08-09 07:30

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当涉及到单片机编程时，延时是一项常见但关键的任务。在许多应用中，我们需要控制程序暂停一段时间，以实现精确的时间控制或协调不同设备之间的操作。本文将以STM32为例，介绍关于单片机的延时原理以及常用的延时函数方法。

延时的原理

单片机的延时是通过控制处理器执行一系列指令来实现的。每条指令需要一定的时间来执行，而延时就是利用这些指令的执行时间来达到暂停程序执行的目的。延时的精确性和稳定性受到处理器的时钟频率、编译器优化等因素的影响。

延时方法

1. 软件延时

软件延时是最常见的延时方法之一，适用于大多数STM32单片机。基本思路是通过循环执行空操作或简单指令来消耗时间，从而实现延时。

#include "stm32f4xx.h"
void softwareDelay(uint32_t delay_ms) {    uint32_t i, j;    for(i = 0; i < delay_ms; i++) {        for(j = 0; j < 1000; j++) {            __NOP(); // 空操作，消耗时间        }    }}

这种方法的缺点是延时时间精度不高，且不适用于需要较精确延时的场景。

2. 硬件定时器

STM32单片机内置了多个高精度的硬件定时器，可以精确地实现延时。通过配置定时器的参数，可以生成精确的时间间隔来进行延时。

#include "stm32f4xx.h"
void timerDelay(uint32_t delay_ms) {    // 配置定时器    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;    TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = SystemCoreClock / 1000000 - 1; // 1us计数一次    TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;    TIM_InitStruct.TIM_Period = delay_ms * 1000; // 延时的微秒数    TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;    TIM_InitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
    // 启动定时器    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    // 等待定时器计数完成    while (TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) == RESET) {    }
    // 清除标志位    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);}

硬件定时器方法具有高精度和稳定性，适用于需要精确时间控制的场景。

3. 阻塞延时与非阻塞延时

上述的软件延时和硬件定时器延时都是阻塞延时，即在延时期间，程序会一直等待，无法执行其他任务。如果需要同时处理其他任务，可以采用非阻塞延时，结合中断或操作系统的任务调度来实现。

#include "stm32f4xx.h"
volatile uint32_t millisecond = 0;
void SysTick_Handler(void) {    millisecond++; // SysTick中断每毫秒触发一次}
void nonBlockingDelay(uint32_t delay_ms) {    uint32_t start = millisecond;    while (millisecond - start < delay_ms) {        // 等待延时结束，期间可以处理其他任务    }}

在上述代码中，我们使用了STM32的SysTick定时器，每毫秒触发一次中断。通过记录开始时间和当前时间的差值，可以实现非阻塞的延时效果。

延时函数的设计

为了方便使用延时，我们可以封装一个延时函数，根据不同的延时方法选择合适的实现。

#include "stm32f4xx.h"
void delay(uint32_t delay_ms) {    // 根据选择的延时方法调用对应的函数    // 如：softwareDelay(delay_ms);    // 或：timerDelay(delay_ms);    // 或：nonBlockingDelay(delay_ms);}

通过封装延时函数，我们可以根据需要灵活地选择合

适的延时方法，并在不同的场景中使用。这样的设计使得单片机程序的开发更加方便和可维护。

阻塞延时与非阻塞延时的选择

在实际应用中，选择阻塞延时还是非阻塞延时取决于你的项目需求。阻塞延时在简单的应用中使用较为普遍，因为它易于实现和理解。但是，如果你的应用需要同时处理多个任务或需要更高的性能，非阻塞延时可能更为适合。非阻塞延时能够让处理器在延时期间继续执行其他任务，提高了系统的并发性能。

示例代码

下面是一个使用STM32的SysTick定时器实现非阻塞延时的示例代码：

#include "stm32f4xx.h"
volatile uint32_t millisecond = 0;
void SysTick_Handler(void) {    millisecond++; // SysTick中断每毫秒触发一次}
void nonBlockingDelay(uint32_t delay_ms) {    uint32_t start = millisecond;    while (millisecond - start < delay_ms) {        // 等待延时结束，期间可以处理其他任务    }}
int main(void) {    // 初始化SysTick定时器    SystemCoreClockUpdate();    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); // 配置成每毫秒触发一次中断
    // 初始化其他硬件和外设
    while (1) {        // 执行主要任务
        // 进行非阻塞延时        nonBlockingDelay(1000); // 延时1秒    }}

在上述代码中，我们首先初始化了SysTick定时器，使其每毫秒触发一次中断。然后，在主循环中，我们通过调用nonBlockingDelay函数来实现非阻塞延时。该函数会记录开始时间并不断检查当前时间与开始时间的差值，直到达到设定的延时时间为止。这期间，程序可以继续执行其他任务。

总结

在STM32单片机编程中，实现延时是一项常见但重要的任务。通过软件延时、硬件定时器以及非阻塞延时等方法，可以根据项目需求选择合适的延时方案。阻塞延时适用于简单的应用场景，而非阻塞延时能够提高系统并发性能。通过封装延时函数，你可以在项目开发中灵活选择延时方法，并根据需求进行调整，从而实现精确的时间控制和任务调度。

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