定时器¶

简介¶

本章介绍 ESP32 定时器的使用。

定时器

定时器是单片机内部集成的功能，它能够通过编程进行灵活控制。单片机的定时功能依赖于内部的计数器实现，每当单片机经历一个机器周期并产生一个脉冲时，计数器就会递增。定时器的主要作用在于计时，当设定的时间到达后，它会触发中断，从而通知系统计时完成。在中断服务函数中，我们可以编写特定的程序以实现所需的功能。

定时器能做什么

执行定时任务：定时器常用于周期性执行特定任务。例如，若需要每 500 毫秒执行某项任务，定时器能够精准地满足这一需求。
时间测量：定时器能够精确测量时间，无论是代码段的执行时间还是事件发生的间隔时间，都能通过定时器进行准确的计量。
精确延时：对于需要微秒级精度的延时场景，定时器能够提供可靠的解决方案，确保延时的精确性。
PWN信号生成：通过定时器的精确控制，我们可以生成PWM（脉宽调制）信号，这对于驱动电机、调节 LED 亮度等应用至关重要。
事件触发与监控：定时器不仅用于触发中断，实现事件驱动的逻辑，还可用于实现看门狗功能，监控系统状态，并在必要时进行复位操作，确保系统的稳定运行。

定时器类型

定时器既可通过硬件实现，也可基于软件进行设计，二者各具特色，适用于不同场景：硬件定时器，依托微控制器的内置硬件机制，通过专门的计时/计数器电路达成定时功能。其显著优势在于高精度与高可靠性，这是因为硬件定时器的工作独立于软件任务和操作系统调度，故而不受它们的影响。在追求极高定时精确度的场合，如生成 PWM 信号或进行精确时间测量时，硬件定时器无疑是最佳选择。其工作原理确保即便主 CPU 忙于其他任务，定时器也能在预设时间准确触发相应操作。而软件定时器，则是通过操作系统或软件库模拟实现的定时功能。这类定时器的性能受系统当前负载和任务调度策略制约，因此在精度上较硬件定时器稍逊一筹。然而，软件定时器在灵活性方面更胜一筹，允许创建大量定时器，适用于对时间控制要求不那么严格的场景。值得注意的是，软件定时器在某些情况下可能面临定时精度问题，特别是在系统负载较重或存在众多高优先级任务时。不过，对于简单的非高精度延时需求，软件定时器通常已经足够应对。

ESP32-S3 定时器整体框架¶

ESPTIMER

系统定时器内置两个计数器 UNIT0 和 UNIT1(如图所示)以及三个比较器 COMP0、COMP1、COMP2(如图所示)。比较器用于监控计数器的计数值是否达到报警值。

(1) 计数器

UNIT0、UNIT1 均为 ESP32-S3 系统定时器内置的 52 位计数器。计数器使用 XTAL_CLK 作为时钟源(40MHz)。XTAL_CLK 经分频后，在一个计数周期生成频率为 fXTAL_CLK/3 的时钟信号，然后在另一个计数周期生成频率为 fXTAL_CLK/2 的时钟信号。因此，计数器使用的时钟CNT_CLK，其实际平均频率为 fXTAL_CLK/2.5，即 16MHz，见图 14.1.2。每个 CNT_CLK 时钟周期，计数递增 1/16µs，即 16 个周期递增 1µs。用户可以通过配置寄存器 SYSTIMER_CONF_REG 中下面三个位来控制计数器 UNITn，这三个位分别是： ①：SYSTIMER_TIMER_UNITn_WORK_EN ②：SYSTIMER_TIMER_UNITn_CORE0_STALL_EN ③：SYSTIMER_TIMER_UNITn_CORE1_STALL_EN 关于这三位的配置请参考《esp32-s3_technical_reference_manual_cn》

(2) 比较器

COMP0、COMP1、COMP2 均为 ESP32-S3 系统定时器内置的 52 位比较器。比较器同样使用 XTAL_CLK 作为时钟源(40MHz)。

ALARM

上图展示了系统定时器生成报警的过程。在上述过程中用到一个计数器(Timer Countern)和一个比较器(Timer Comparatorx)，比较器将根据比较结果，生成报警中断。

用例¶

我们来设计一个程序，程序运行后配置高分辨率定时器，并开启中断，在中断回调函数中翻转LED 的状态。由于使用的都是板上资源，没有连线。

代码¶

tim.h¶

/**
 * @file tim.h
 * @author SHUAIWEN CUI (SHUAIWEN001@e.ntu.edu.sg)
 * @brief This file contains the function prototypes for the TIM component.
 * @version 1.0
 * @date 2024-11-18
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

#ifndef __TIM_H__
#define __TIM_H__

/* Dependencies */
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_timer.h"
#include "led.h"


/* Function Prototypes */

/**
 * @brief       Initialize a high-precision timer (ESP_TIMER)
 * @param       tps: Timer period in microseconds (μs). For example, to execute the timer interrupt once every second, 
 *                   set tps = 1s = 1000000μs.
 * @retval      None
 */
void esptim_int_init(uint64_t tps);

/**
 * @brief       Timer callback function
 * @param       arg: No arguments passed
 * @retval      None
 */
void esptim_callback(void *arg); 

#endif /*__TIM_H__*/

tim.c¶

/**
 * @file tim.c
 * @author SHUAIWEN CUI (SHUAIWEN001@e.ntu.edu.sg)
 * @brief This file contains the implementation of the TIM component.
 * @version 1.0
 * @date 2024-11-18
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

#include "esptim.h"

/**
 * @brief       Initialize a high-precision timer (ESP_TIMER)
 * @param       tps: Timer period in microseconds (μs). For example, to execute the timer interrupt once every second, 
 *                   set tps = 1s = 1000000μs.
 * @retval      None
 */
void esptim_int_init(uint64_t tps)
{
    esp_timer_handle_t esp_tim_handle;                      /* Timer callback function handle */

    /* Define a timer configuration structure */
    esp_timer_create_args_t tim_periodic_arg = {
        .callback = &esptim_callback,                       /* Set the callback function */
        .arg = NULL,                                        /* No arguments passed */
    };

    esp_timer_create(&tim_periodic_arg, &esp_tim_handle);   /* Create a timer event */
    esp_timer_start_periodic(esp_tim_handle, tps);          /* Trigger periodically based on the timer period */
}

/**
 * @brief       Timer callback function
 * @param       arg: No arguments passed
 * @retval      None
 */
void esptim_callback(void *arg)
{
    led_toggle();
}

Warning

一定要记得在CMakelists.txt中添加tim.h，tim.c所在路径，同时在依赖中添加esp_timer库。

main.c¶

将主程序main.c中的内容替换为以下内容：

/**
 * @file main.c
 * @author SHUAIWEN CUI (SHUAIWEN001@e.ntu.edu.sg)
 * @brief 
 * @version 1.0
 * @date 2024-11-17
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

/* Dependencies */
// Basic
#include "esp_system.h"
#include "esp_chip_info.h"
#include "esp_psram.h"
#include "esp_flash.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "esp_log.h"

// RTOS
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

// BSP
#include "led.h"
#include "rgb.h"
#include "key.h"
#include "exit.h"
#include "tim.h"

/**
 * @brief Entry point of the program
 * @param None
 * @retval None
 */
void app_main(void)
{
    esp_err_t ret;
    uint32_t flash_size;
    esp_chip_info_t chip_info;

    // uint8_t key;

    // Initialize NVS
    ret = nvs_flash_init();
    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase()); // Erase if needed
        ret = nvs_flash_init();
    }

    // Get FLASH size
    esp_flash_get_size(NULL, &flash_size);
    esp_chip_info(&chip_info);

    // Display CPU core count
    printf("CPU Cores: %d\n", chip_info.cores);

    // Display FLASH size
    printf("Flash size: %ld MB flash\n", flash_size / (1024 * 1024));

    // Display PSRAM size
    printf("PSRAM size: %d bytes\n", esp_psram_get_size());

    // BSP
    led_init();
    rgb_init();
    // key_init();
    exit_init();
    esptim_int_init(1000000); // 1s enable timer, of which the callback function toggles the LED

    while (1)
    {
        printf("Hello-ESP32\r\n");
        vTaskDelay(1000);
    }

}

总结¶

Note

本章介绍了 ESP32 定时器的使用，通过设计一个程序，实现了高分辨率定时器的配置，并开启中断，在中断回调函数中翻转 LED 的状态。比较关键的几个点：

如何将定时器文件添加到项目中，源文件，头文件，路径依赖等。
如何构造定时器的初始化函数。
如何构造定时器的回调函数。
如何在应用层调用定时器初始化函数。