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STM32——定时器入门：定时器就是计数器

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本文字数： 7.7k 阅读时长 ≈ 7 分钟
从"定时器就是计数器"的本质出发，讲解定时器的三个核心部件（预分频器、计数器、自动重装载计数器）与更新中断，用 TIM4 实现每 1 秒通过串口发送一次数据，附 CubeMX 配置与 MX_TIM4_Init 初始化代码逐行解析。

从上一篇到这篇

上一篇我们研究了单片机的”心脏与动脉”——时钟源与时钟树。当时埋了个伏笔：时钟树上 APB1 定时器分支经过预分频 + 倍频，给定时器送来了 72MHz 的时钟。

为什么定时器值得单独一条分支、还专门配一个倍频器把频率”补”回 72MHz？从本篇开始，我们就来研究单片机中另一个非常重要的概念——定时器 TIM。

如果你以为定时器的作用是”设定一个时间，时间到了执行程序”——恭喜你猜对了一半，但也正是被”定时器”这个名字误导了。请记住这句贯穿后续好几期的话：

定时器就是计数器。

身为计数器，通过不同的”计数姿势”的巧妙组合，定时器除了实现普通的定时功能，还可以捕获脉冲宽度、计算 PWM 占空比、输出 PWM 波形、编码器计数……功能非常丰富。

定时器家族：三类定时器

STM32F103 系列最多有 8 个定时器（TIM1~TIM8），按功能强弱分三类：

类别 成员 功能
基本定时器 TIM6、TIM7 功能最弱，只有简单的定时功能
通用定时器 TIM2~TIM5 在基本定时器基础上扩展，功能丰富，是学习重点
高级定时器 TIM1、TIM8 最强，多了刹车信号、输入捕获、互补输出等工业电机功能

高级定时器的那些电机功能需要提前学习许多电机知识，当前阶段我们把它当通用定时器用即可。

⚠️ 注意：我们使用的 STM32F103C8T6 上只有 TIM1~TIM4（1 个高级 + 3 个通用），并没有基本定时器。不过没关系——通用/高级定时器都是从基本定时器的结构上扩展出来的，包含基本定时器的全部功能，所以把任意一个通用定时器当基本定时器用就行。本集我们用 TIM4。

定时器就是计数器

计时原理：恒定频率方波 + 计数器

如何计时？其实非常简单：一个恒定频率的方波信号 + 一个寄存器，每当方波的上升沿到达，寄存器存储的数就 +1，就能完成计时。

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方波 ────┘  └──┘  └──┘  └── ...  100Hz = 每秒 100 个脉冲
       ↑  ↑  ↑  ↑
       │  │  │  └─ 计数到 100 → 我们知道过了一秒
       │  │  └─ 3
       │  └─ 2
       └─ 1
       计数器: 0 → 1 → 2 → 3 → ... → 100

恒定频率的方波从哪来？就是上篇时钟树讲过的：APB1 定时器分支，72MHz。也就是计数器每数到 7200 万，就是一秒。

可惜计数器寄存器只有 16 位，最多数 65536 个数——72MHz 下 0.0009 秒就数满了，这太少了。所以定时器在计数器前加了一个预分频器。

预分频器：给方波”减速”

预分频器本质也是个计数器（通过计数来分频）：

预分频器设置值 行为 等效分频
0 不分频，脉冲原样输出 ÷1
1 数 0、1，每 2 个脉冲输出 1 个 ÷2
2 数 0、1、2，每 3 个脉冲输出 1 个 ÷3

规律：想要 N 分频，就设置 N-1（因为从 0 开始计数）。

预分频器也是 16 位，最多 65536 分频。72MHz ÷ 65536 ≈ 1098Hz，即最多可以定时 59 秒多——对于绝大多数需要高精度定时的任务足够用了。

💡 想要更长时间的定时？定时器可以串联——一个定时器作为另一个的输入时钟。两个定时器组合可以实现 8124 年（当然，晶振存在误差，长时间定时会有累积误差，追求极致精确的话需要卫星授时校准等方案）。

自动重装载计数器：实现”定时”

有了预分频器和计数器，我们已经能”计时”（读计数器值知道过了多久），但怎么实现”每 1 秒提醒我发送一次数据“这种”定时”功能？

靠第三个部件——自动重装载计数器（ARR）：

  • 它实时监控计数器的值是否与自己相同
  • 当计数器数到与它相同 → 把计数器清零，重新开始计数
  • 同时可根据设置触发一次更新中断，通知 STM32”时间到了”

和预分频器一样，因为从 0 开始计数，想定时 M 个脉冲就设置 M-1。于是计数器从 0 数到 M-1，共 M 个数，然后重置并触发中断。

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┌────────────┐    ┌────────────┐    ┌────────────┐
│ 预分频器 PSC │──►│ 计数器 CNT  │──►│重装载计数器ARR│──► 相等时:
│   ÷7200     │    │ 0~9999     │    │  = 9999     │   ① 计数器清零重新计数
└────────────┘    └────────────┘    └────────────┘   ② 触发更新中断

数据流全链路：从 72MHz 到每秒一次的串口数据

理解了三个部件，把本集项目的完整数据流串起来——从时钟树到串口助手：

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APB1 定时器分支 72MHz (来自上篇的时钟树, HSE 8MHz ×PLL9)
   │
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┌────────────────┐    ÷7200 (设置 7200-1)   ┌────────────────┐
│ 预分频器 PSC    │ ──────────────────────► │ 10kHz 脉冲      │
│ (幕后: 影子寄存器)│     每7200个脉冲输出1个   │ 每秒10000个脉冲  │
└────────────────┘                         └───────┬────────┘
                                                    │
                                                    ▼
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                                    │ 计数器 CNT (16位)│
                                    │ 0→1→2→…→9999   │
                                    └───────┬────────┘
                                            │ 实时比较
                                            ▼
                                    ┌────────────────┐
                                    │ 重装载 ARR=9999 │──相等→ 清零 + 更新中断
                                    │ (10000-1)      │
                                    └────────────────┘
                                            │
                                            ▼
                         HAL_TIM_PeriodElapsedCallback (中断回调)
                                            │
                                            ▼
                            HAL_UART_Transmit_IT 中断发送
                                            │
                                            ▼
                        串口助手: 每秒收到一次数据 ✅

关键计算：72MHz ÷ 7200 = 10kHz（每秒 10000 个脉冲），计数 10000 次 = 正好 1 秒。

CubeMX 配置

① 基础配置（老流程）

  • 创建工程（STM32F103C8T6），打开串口2（USART2，115200），并打开串口中断（后面用中断发送）
  • RCC 配置页打开 HSE（Crystal/Ceramic Resonator）
  • Clock Configuration 页 HCLK 改为 72MHz
  • 注意时钟树页面：APB1 定时器分支已经是 72MHz（APB1 ÷2 = 36MHz，定时器自动倍频 ×2 = 72MHz）——上一篇的知识在这里直接落地

② TIM4 定时器配置

打开 Timers → TIM4，把 Clock Source 选为 Internal Clock（内部时钟，即来自 APB1 的 72MHz），就算打开了定时器：

image-20260806214008514

配置项 填的值 说明
Prescaler（预分频器） 7200-1 想 7200 分频就填 7199（N-1）
Counter Mode Up 向上计数（默认）
Counter Period（自动重装载） 10000-1 想定时 1 秒就填 9999（M-1）

72MHz ÷ 7200 = 10kHz，数 10000 次 = 1 秒，每 1 秒触发一次更新中断。

③ 打开更新中断

在 TIM4 配置页切到 NVIC Settings 选项卡，勾选 TIM4 global interrupt：

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保存并生成代码。打开 main.c，可以看到 main 函数调用了一个新的初始化函数 MX_TIM4_Init()。

核心代码

1. 启动定时器（main 函数 USER CODE 2）

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/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);   // 启动 TIM4，并使能更新中断
/* USER CODE END 2 */

2. 更新中断回调（USER CODE 0）

定时器的”时间到”是通过更新中断通知的——每次计数器数到与重装载值相同、被清零重新计数时触发。中断发生后要执行什么，靠重写回调函数：

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/* USER CODE BEGIN 0 */
char data[] = "😊😂🤣😍😘🙌";   // 要发送的数据（随便示意一下）
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim == &htim4)                          // 好习惯:先确认是本定时器的中断
  {
    HAL_UART_Transmit_IT(&huart2, data, strlen(data));  // 串口中断发送
  }
}
/* USER CODE END 0 */

💡 这个回调函数是 HAL 库定义的弱函数（weak），默认空实现，我们在自己的代码里重写即可。它会被所有定时器（TIM1~TIM4）共用，所以第一个动作就是判断是哪个定时器——htim == &htim4。

代码讲解

HAL 函数 作用 本项目中参数
HAL_TIM_Base_Start_IT 启动定时器（Base=基本用法），并使能更新中断（IT=Interrupt） &htim4 定时器句柄指针
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback 更新中断回调（重写） 无参数，靠 htim 判断来源
HAL_UART_Transmit_IT 串口中断发送（非阻塞） &huart2、data、strlen(data)

另外，定时器还有一些名称全大写、以双下划线开头的函数——这类在 HAL 库中其实是宏定义，比较偏底层，倾向于直接操作寄存器。可以用它们随时读写定时器的核心部件，方便调试或动态改参数：

  • __HAL_TIM_GET_COUNTER / __HAL_TIM_SET_COUNTER：获取/设置计数器的值
  • __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD / __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD：获取/设置重装载寄存器的值
  • __HAL_TIM_SET_PRESCALER：设置预分频器的值

可以自己设计实验试试这些函数。

解读初始化代码：MX_TIM4_Init

CubeMX 生成的定时器初始化代码，逐行解析（这是本集必做的深度解读章节）：

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void MX_TIM4_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};   // 时钟源配置结构体
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};       // 主模式配置结构体

  htim4.Instance = TIM4;                             // 指定外设: TIM4
  htim4.Init.Prescaler = 7200-1;                     // 预分频: ÷7200 (对应CubeMX Prescaler)
  htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;       // 计数模式: 向上计数
  htim4.Init.Period = 10000-1;                       // 自动重装载: 数到9999清零 (对应Counter Period)
  htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频: 用于输入滤波, 定时功能用不到
  htim4.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;  // 重装载影子寄存器: 关闭
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim4) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 时钟源: 内部时钟 (APB1定时器分支 72MHz) */
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim4, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 主模式配置: 本集用不到, 保持默认 */
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim4, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

各配置项与 CubeMX / 寄存器的对应关系

代码配置 对应 CubeMX 设置 对应寄存器 本项目值
Init.Prescaler Prescaler TIM_PSC 7200-1
Init.CounterMode Counter Mode TIM_CR1.DIR UP
Init.Period Counter Period TIM_ARR 10000-1
Init.ClockDivision Clock Division TIM_CR1.CKD ÷1
AutoReloadPreload auto-reload preload TIM_CR1.ARPE DISABLE
ClockSource = INTERNAL Clock Source TIM_SMCR.SMS 内部时钟

MSP 初始化：时钟使能与中断

定时器初始化的另一半在 HAL_TIM_Base_MspInit() 里（MSP = MCU Support Package，即”与 MCU 相关的部分”：时钟、引脚、中断）：

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void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{
  if (tim_baseHandle->Instance == TIM4)
  {
    __HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE();          // ① 打开 TIM4 的外设时钟(挂钟!)
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn, 0, 0);  // ② 设置 TIM4 中断优先级: 抢占0 子0
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM4_IRQn);        // ③ 使能 TIM4 中断
  }
}

三步缺一不可：不打开外设时钟（挂钟），定时器根本不工作；不设置优先级、不使能中断，更新中断永远不会触发。

中断链路

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计数器数到 ARR → 硬件置位更新标志 → 触发 TIM4_IRQn
        │
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TIM4_IRQHandler (stm32f1xx_it.c, 中断服务函数)
        │
        ▼
HAL_TIM_IRQHandler(&htim4)  (HAL库, 判断中断来源)
        │
        ▼
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(&htim4)  (我们重写的回调)

和串口中断的套路一模一样：中断服务函数 → HAL 通用处理函数 → 我们重写的回调。

影子寄存器机制：幕后老板与一线员工

前面讲预分频器和重装载时，代码里有两个容易被忽略的设置，它们背后是定时器一个精巧的设计——影子寄存器。

预分频器：真正工作在分频一线的，其实是预分频寄存器的影子寄存器，而预分频寄存器本人更像”运筹帷幄的幕后老板”。我们通过 __HAL_TIM_SET_PRESCALER 设置的新预分频值，会等到当前计数周期结束（计数器数到重装载值、重新从零开始）时才传递给影子寄存器生效——简而言之，新值下个计数周期才生效。

自动重装载计数器：同样有影子寄存器，作用相同（新值下个周期生效）。不同之处在于——重装载的影子机制可以开关（AutoReloadPreload，默认关闭）：

  • 关闭（本项目）：改 ARR 立即写进寄存器，但注意——如果把重装载值调小到小于当前计数器的值，它们会”错过”，计数器一路数到最大值 65535 才会触发更新
  • 开启（CubeMX 里勾选 auto-reload preload）：新值在影子寄存器里等下个周期，绝对安全

有了影子寄存器机制，就可以随时修改预分频器/重装载寄存器，而不必担心影响当前的计数周期。

实操步骤

1. CubeMX 配置

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① 串口2: Mode → Asynchronous, 波特率 115200, NVIC 勾选 USART2 global interrupt
② RCC → HSE → Crystal/Ceramic Resonator
③ Clock Configuration → HCLK = 72MHz → 回车 → OK
④ Timers → TIM4 → Clock Source = Internal Clock
   Prescaler = 7200-1, Counter Period = 10000-1
⑤ NVIC Settings → 勾选 TIM4 global interrupt
⑥ 保存生成代码

2. 写代码

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① USER CODE 2:  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4) 启动定时器
② USER CODE 0:  重写 HAL_TIM_PeriodElapsedCallback, 判断 htim==&htim4 后
                 HAL_UART_Transmit_IT(&huart2, data, strlen(data))
③ 头文件:        #include <string.h> (strlen)

3. 编译下载 & 查看效果

编译下载，连上串口线，打开波特律动串口助手连接串口。刚下载完程序会慢几拍，按下板上的复位键让程序重新开始运行。

效果展示

https://www.bilibili.com/video/BV1Cnup68E8Z/?vd_source=5a111e8d49f70e532d36ddb73be3d0aa

串口助手每秒收到一次数据（emoji）

踩坑记录

1. 中断发送和主循环发送会”打架”

HAL_UART_Transmit_IT 是非阻塞发送。如果中断里的发送和主循环里的发送间隔太小，上次的数据还没发完，下次发送就把缓冲区覆盖掉了。所以发送逻辑尽量集中在一处——本项目把发送全部放在定时器中断回调里，主循环只留给自己的业务逻辑。

总结

复习结构图

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 时钟源 (内部时钟 72MHz)
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预分频器 PSC ──► 计数器 CNT ──► 重装载 ARR ──► 更新中断
(÷7200)        (0~9999)        (=9999)

本集要点

要点 内容
定时器就是计数器 一切功能的本质
N-1 原则 预分频想 N 分频填 N-1；重装载想定时 M 个脉冲填 M-1
三个核心寄存器 PSC（预分频）、CNT（计数器）、ARR（重装载）
更新中断 计数器数到 ARR → 清零 → 触发中断 → 回调发数据
三步配置 勾 Internal Clock + 设 PSC/ARR + 开 NVIC 中断
两个函数 HAL_TIM_Base_Start_IT 启动、HAL_TIM_PeriodElapsedCallback 回调
影子寄存器 预分频/重装载新值下个周期生效；重装载可开关

本期只用了基本定时器功能。接下来的几期会在这张结构图的基础上不断扩展——万变不离其宗，定时器就是计数器。

参考资源