1. 定时器中断的基本结构

结合这张图，我们可以系统地介绍 STM32 的定时器中断 机制。整体上，定时器中断的结构主要由 时钟输入、时基单元、运行控制和中断输出控制 组成，每个部分的功能如下：

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1.1. 时钟输入（Clock Sources）

定时器的计数依赖于时钟源，STM32 定时器可以使用以下几种时钟：

• 内部时钟（RCC）：由主时钟（APB1 或 APB2）提供给定时器使用。
• 外部时钟（ETR）：可以通过 GPIO 端口引入外部时钟信号。
• 其他定时器的触发（ITRx）：定时器之间可以进行触发，形成级联结构，实现更复杂的定时任务。
• 捕获输入通道（Tix）：通过 GPIO 端口捕获外部信号，基于输入信号进行计数（如编码器模式）。

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1.2. 时基单元（Time Base Unit）

时基单元是定时器的核心，主要由以下组件组成：

• PSC（预分频器）：控制定时器的计数速率。例如，如果主时钟频率为 72MHz，而预分频器设置为 71，则定时器的计数频率变为 1MHz。
• CNT（计数器）：定时器的核心计数单元，它会从 0 计数到 ARR（自动重装载寄存器） 设定的值。
• ARR（自动重装载寄存器）：定义计数器的最大值。当 CNT 计数到 ARR，触发更新事件（Update Event, UE），并可以产生中断。

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1.3. 运行控制（Control Logic）

• 负责管理定时器的启停、模式选择以及事件触发。
• 定时器可以配置为 单次模式（计数到 ARR 后停止）或 连续模式（每次计数到 ARR 自动重置）。
• 可选触发模式，如外部信号触发计数。

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1.4. 中断输出控制

• 当 CNT 计数到 ARR，定时器触发 更新事件（UE），并通过 NVIC（嵌套向量中断控制器） 处理中断请求。
• 如果使能了定时器中断，则 CPU 执行相应的 中断服务程序（ISR），例如：
  • 触发 LED 变换（定时闪烁）
  • 控制 PWM 输出
  • 采集传感器数据等

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1.5. 运行流程总结

1. 配置时钟源（内部/外部）。
2. 配置时基单元（设置 PSC 和 ARR）。
3. 使能定时器中断（NVIC 配置）。
4. 定时器计数（CNT 从 0 计数到 ARR）。
5. 触发中断，执行中断服务程序（ISR）。
6. 清除中断标志，等待下一次中断触发。

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1.6. 实际应用

• 周期性任务（如 1s 触发一次）。
• PWM 产生（控制 LED 亮度、电机转速）。
• 输入捕获（测量脉冲信号）。
• 编码器模式（测量电机位置）。

当然，结合 HAL 库（STM32Cube HAL 库）的使用，我们可以更直观地实现定时器中断。

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2. HAL 库定时器中断操作

HAL 库封装了底层寄存器操作，使得 STM32 定时器的配置更加简单。基本流程如下：

2.1. 主要步骤

1. 初始化定时器（设定时基、预分频等）。
2. 开启定时器中断。
3. 编写中断回调函数。
4. 清除中断标志，处理中断任务。

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2.2. HAL 库代码示例

假设我们需要使用 TIM2 定时器，以 1s 触发一次中断，并在中断中翻转 LED。

2.2.1 定时器初始化

在 main.c 里初始化定时器：

TIM_HandleTypeDef htim2;  // 定义定时器句柄

void MX_TIM2_Init(void)
{
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();  // 使能 TIM2 时钟

    htim2.Instance = TIM2;  // 选择 TIM2
    htim2.Init.Prescaler = 7199;  // 预分频（72MHz/7200 = 10kHz）
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  // 向上计数模式
    htim2.Init.Period = 9999;  // 自动重装载值（10kHz / 10k = 1s）
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();  // 初始化失败处理
    }
}

• STM32F103 运行在 72MHz，预分频 7199，使计数频率变为 10kHz。
• 设定 ARR = 9999，意味着 每 1s 触发一次中断。

2.2.2 定时器时钟计算公式

STM32F103 的定时器时钟计算遵循如下公式： $f_{counter} = \frac{f_{clock}}{(PSC+1)}$

其中：

• $f_{counter}$ 是定时器的计数频率（单位 Hz）。
• $f_{clock}$ 是定时器输入时钟（单位 Hz）。
• $PSC$ 是 预分频系数（Prescaler）。

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代入数值

STM32F103 运行在 72MHz（$f_{clock} = 72,000,000 Hz$），如果设定预分频 PSC = 7199，则：

$f_{\text{counter}} = \frac{7199 + 1}{72,000,000} \
= \frac{7200}{72,000,000} \
= 10,000 \, \text{Hz} \
= 10 \, \text{kHz}$

即 定时器每秒计数 10,000 次。

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2.2.3 如何选择合适的 ARR 值

ARR（自动重装载值）决定了中断周期，计算公式如下： $T_{interrupt} = \frac{ARR + 1}{f_{counter}}$

如果希望 定时 1s 触发一次中断，则设定：

$T_{interrupt} = 1 \text{ s}$

$ARR + 1 = f_{counter} \times T_{interrupt}$

$ARR + 1 = 10,000 \times 1 = 10,000$

$ARR = 9999$

所以 ARR = 9999，即 每 1 秒触发一次定时器中断。

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2.2.4 开启定时器中断

在 main.c 里启动定时器：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);  // 启用 TIM2 并开启中断

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2.2.5 配置 NVIC（中断优先级）

在 stm32f1xx_it.c 里启用 NVIC：

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1, 0);  // 设置 TIM2 中断优先级
        HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);  // 使能 TIM2 中断
    }
}

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2.2.6 编写中断回调函数

在 stm32f1xx_it.c 里处理中断：

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);  // 调用 HAL 库的中断处理
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 翻转 LED（PC13）
    }
}

• TIM2_IRQHandler() 处理 TIM2 中断。
• HAL_TIM_PeriodElapsedCallback() 是 HAL 库的 定时器溢出回调函数，用于执行用户代码。

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2.3. 运行流程

1. 系统启动时，调用 MX_TIM2_Init() 初始化 TIM2。
2. 调用 HAL_TIM_Base_Start_IT() 开启定时器和中断。
3. TIM2 计数到 ARR 后触发中断，进入 TIM2_IRQHandler()。
4. HAL 处理中断后，调用 HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()，执行用户逻辑（如 LED 翻转）。

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2.4. 结果

• LED（PC13）每 1s 翻转一次。
• 定时器精确控制时间间隔，可用于 任务调度、传感器读取、PWM 产生等。

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总结

• 定时器核心：基于 PSC 预分频 + CNT 计数 + ARR 自动重装载 实现定时。
• HAL 代码流程：
  1. 初始化 TIMx
  2. 开启中断 HAL_TIM_Base_Start_IT()
  3. 处理中断 HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()
• 适用场景：定时任务、PWM、信号测量、数据采集等。

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