stm32g483 基于 SysTick 的计时器的奇怪行为

Question

SysTick 使用说明

系统提示

我们有一个基于 STM32G483 MCU (Cortex M4) 的定制板。我们使用 SysTick 作为软件定时器的参考。 SysTick 重载寄存器设置为 0x00FFFFFF 以使中断最少。 SysTick 的 CPU 时钟频率为 128MHz，这意味着每 131ms 左右就有一个 SysTick 中断。中断将滴答计数器增加负载值 + 1。

#define SYSTICK_LOAD_VALUE 0x00FFFFFFU

static volatile uint64_t _ticks;

void 
systick_interrupt(void)
{
    _ticks += SYSTICK_LOAD_VALUE + 1;
}

然后我们使用当前值寄存器获取当前计数周期中经过的时钟周期数来计算当前时间。

uint64_t 
systick_get_ticks(void)
{
    return _ticks - SysTick->VAL;
}

软件计时器

然后，我们可以将此值用于不同的软件定时器，这些定时器理论上可以按几个时钟周期的数量级计数。

void
timer_start(struct timer *timer)
{
    timer->_start_tick = systick_get_ticks();
}

bool
timer_check_ticks(const struct timer timer, uint64_t duration)
{
    uint64_t difference = systick_get_ticks() - timer._start_tick;
    return (difference >= duration);
}

由于函数调用开销，不可能精确到滴答声，但这在更长的时间段内仍然应该是准确的，例如 1us（128 个滴答声）或 1ms（128 000）。当然，软件定时器可能会超出一些时钟周期，具体取决于主循环频率，但它不应该低于。

测试

我们看到这些计时器出现了一些奇怪的行为，因此我们决定通过最简单的主循环来切换我们可以探测的 GPIO 来测试它们。

int
main(void)
{
    // Clock, NVIC, SysTick and GPIO initialisation
    struct pin test_gpio;
    struct timer test_timer;
    timer_start(&test_timer);
    while (TRUE) {   
        if (timer_check_ticks(test_timer, 128000U)) { // 128000 ticks @ 128MHz ==> 1ms
            gpio_toggle(test_gpio);
            timer_start(&test_timer);
        }
    }
}

有了这个，我们期待一个具有 50% 占空比和 2ms 周期 (500Hz) 的方波，这是我大部分时间得到的。然而，有些脉冲有时更短，例如 185us。在试图找到问题的根源时，我们也注意到，在编译后任何修改都会改变较短脉冲的长度，但在代码执行时，这个持续时间似乎没有改变。

我们检查了核心时钟确实以 128MHz 运行，SysTick 配置为我们想要的，我们编写了一个 sn-p 来检查 SysTick 中断是否以正确的频率触发，并且 @ 987654325@ 函数返回一个可靠的数字。这让我们相信问题出在计时器代码本身，但我们似乎无法找到问题所在。

使用 clang (--target=arm-none-eabi) 编译代码，不使用 STM32 HAL 库

Answer 1

考虑：

#define SYSTICK_LOAD_VALUE 0x00FFFFFFU

static volatile uint32_t systick_reload_count = 0 ;

void systick_interrupt(void)
{
    systick_reload_count++ ;
}

uint64_t systick_get_ticks(void)
{
    uint32_t reload_count = 0 ; 
    uint64_t ticks = 0 ;
    do
    {
        reload_count = systick_reload_count ;

        ticks = (reload_count * (SYSTICK_LOAD_VALUE + 1)) + 
                (SYSTICK_LOAD_VALUE - SysTick->VAL + 1) ;

    } while( systick_reload_count != reload_count ) ;
}

这里的 ISR 更简单（更快），访问systick_reload_count 是这个 32 位设备上的原子操作（即不能被中断）。

systick_get_ticks 中的 while 循环确保如果在非原子ticks 计算期间发生重新加载，则获取新的systick_reload_count 并重新计算ticks。循环通常不应该重复超过两次（你必须在 131 毫秒内被中断，在这种情况下你还有其他问题！），所以保持确定性。

此解决方案的一个重要方面是计算在重新加载计数的本地副本中执行，而不是在易失性计数本身上执行。

Answer 2

您的函数systick_get_ticks 不是线程/中断安全的。如果它被 systick 中断，返回值将不正确。

对于您可以使用的线程/中断安全版本：

https://github.com/tcv-git/goodmicro/blob/master/lib/goodmicro_armv7m/uptime.h

https://github.com/tcv-git/goodmicro/blob/master/lib/goodmicro_armv7m/uptime_sysclk.s

（另外，请停止命名以下划线开头的变量。这些名称是保留的，如果使用它们会得到未定义的行为）。

Answer 3

最终在汇编中实现它：

#define _SYSTICK_RELOAD_VALUE 0xFFFFFF

.macro mov32, reg, val
    movw \reg, #:lower16:\val
    movt \reg, #:upper16:\val
.endm

.data
    @ static uint64_t _ticks = _SYSTICK_RELOAD_VALUE;
    _ticks: .quad _SYSTICK_RELOAD_VALUE

.text
    .thumb_func
    .global systick_init
    @ void systick_init(void)
    systick_init:
        @ Set systick reload value register
        mov32   r0, _SYSTICK_RELOAD_VALUE
        mov32   r1, 0xE000E014
        str     r0, [r1]

        @ Set the systick current value register to 0
        mov32   r0, 0
        mov32   r1, 0xE000E018
        str     r0, [r1]

        @ Enable systick, enable interrupt, and use processor clock
        mov32   r0, 0x7
        mov32   r1, 0xE000E010
        str     r0, [r1]

        @ Return
        bx      lr

    .thumb_func
    .global systick_interrupt
    @ void systick_interrupt(void)
    systick_interrupt:
        @ Load tick counter, MSB last (guard MSB with LSB)
        mov32   r2, _ticks
        ldr     r0, [r2] @ LSB
        ldr     r1, [r2, 4] @ MSB

        @ Add reload value + 1
        mov32   r3, _SYSTICK_RELOAD_VALUE + 1
        adds    r0, r0, r3 @ LSB
        adc     r1, r1, 0 @ MSB

        @ Write back tick counter, MSB first (guard MSB with LSB)
        str     r1, [r2, 4] @ MSB
        str     r0, [r2] @ LSB

        @ Return
        bx      lr

    .thumb_func
    .global systick_get_ticks
    @ uint64_t systick_get_ticks(void)
    systick_get_ticks:
        push    {r4-r5}

        @ Constants
        mov32   r4, _ticks
        mov32   r5, 0xE000E018

    1:
        @ Load tick counter and current systick value
        ldrex   r2, [r4] @ Tick counter LSB into r2
        ldr     r1, [r4, 4] @ Tick counter MSB into r1
        ldr     r0, [r5] @ Current systick value into r0

        @ Attempt to dummy write back the LSB of the tick counter
        @ If the operation fails this means the tick counter was accessed
        @ concurrently, or an interrupt fired and we must try again
        strex   r3, r2, [r4]
        cmp     r3, 0
        bne     1b

        @ Compute global tick value into r0 and r1
        subs    r0, r2, r0
        sbc     r1, r1, 0

        @ Return the result in r0 and r1
        pop     {r4-r5}
        bx      lr

ldrex 和strex 指令作为互斥体，确保_ticks 的值在两条指令之间没有被修改。

Answer 4

stm32的systick不好用，如果你利用stm32 systick init code，你会发现它至少被修改了3次，甚至得到它后也会被修改，像这样：

static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
  if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            /* Reload value impossible */
 
  SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;      /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Cortex-M0 System Interrupts */
  SysTick->VAL   = 0;                                          /* Load the SysTick Counter Value */
  SysTick->CTRL  |= SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                    /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
  return (0);                                                  /* Function successful */

所以我建议你使用其他 TIMER 或修改 stm32 库（但很麻烦）。