stm32g483 基于 SysTick 的计时器的奇怪行为

Question

SysTick使用说明

SysTick

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 以便产生最少的中断。 SysTick 以 128MHz 的 CPU 时钟计时，这意味着每 131ms 左右就有一个 SysTick 中断。中断将滴答计数器递增加载值 + 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;
}

软件定时器

然后我们可以将这个值用于不同的软件定时器，理论上可以在几个时钟周期的数量级内计数。

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);
}

由于函数调用的开销，不可能精确到滴答，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）或 1ms（128 000）。当然，软件定时器可能会过冲一些时钟周期，这取决于主循环频率，但它不应该下冲。

测试

我们发现这些计时器有一些奇怪的行为，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，有些脉冲有时会更短，例如 185us。在寻找问题根源的过程中，我们也注意到，任何修改后的编译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在 128MHz 时确实运行，SysTick 被配置为我们想要的，我们已经编写了一个片段来检查 SysTick 中断是否以正确的频率触发，并且 systick_get_ticks() 函数 returns 是一个可靠的数字。这使我们认为问题出在计时器代码本身，但我们似乎找不到问题所在。

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

Answer 1

您的函数 systick_get_ticks 不 thread/interrupt 安全。如果它被系统中断，return 值将不正确。

对于 thread/interrupt 安全版本，您可以使用：

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，如果使用它们会出现未定义的行为）。

Answer 2

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）并且访问 systick_reload_count 是此 32 位设备上的 atomic 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ticks重新计算。循环通常不应迭代超过两次（您必须中断 131 毫秒，在这种情况下您还有其他问题！），因此保持确定性。

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

Answer 3

stm32的systick不好用，如果你利用stm32的systick初始化代码，你会发现它至少被修改了3次，即使得到它也会被修改，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）。

Answer 4

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 指令用作互斥体，确保 _ticks 的值在两条指令之间没有被修改。

stm32g483 基于 SysTick 的计时器的奇怪行为

Weird behavior for SysTick based timer for stm32g483

c

timer

arm

embedded

stm32

SysTick使用说明

SysTick

软件定时器

测试