《DNESP32S3使用指南-IDF版_V1.6》第十四章 ESPTIMER实验

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第十四章 ESPTIMER实验

       ESP32-S3 芯片内置一组 52 位系统定时器。该定时器可用于生成操作系统所需的滴答定时中断，也可用作普通定时器生成周期或单次延时中断。通过本章的学习，开发者将学习到高分辨率定时器的使用。
本章分为如下几个小节：
       14.1 定时器简介
       14.2 硬件设计
       14.3 程序设计
       14.4 下载验证

       14.1 定时器简介
       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。例如，若要让LED灯每秒钟切换一次状态，我们只需将定时器配置为每秒触发一次中断，并在中断处理程序中编写LED状态切换的逻辑。

       1，定时器能做什么
       定时器的主要作用包括但不限于：

       （1）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。

       （2）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。

       （3）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。

       （4）PWM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。

       （5）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。

       2，硬件定时器与软件定时器
       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。

       3，ESP32-S3的定时器整体框架介绍
       下面先来简单了解一下系统定时器结构图，通过学习系统定时器结构图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编程也会有一个清晰的思路。

图14.1.1系统定时器结构图

       系统定时器内置两个计数器UNIT0和UNIT1(如图14.1.1中①所示)以及三个比较器COMP0、COMP1、COMP2(如图14.1.1中②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)。

图14.1.2系统定时器生成报警

       图14.1.2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。

       14.2 硬件设计

       14.2.1 例程功能
       实验现象：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。

       14.2.2 硬件资源
       1. LED
              LED - IO1
       2. 高分辨率定时器(ESP定时器)

       14.2.3 原理图
       本章实验使用的ESP定时器为ESP32-S3的片上资源，因此并没有相应的连接原理图。

       14.3 程序设计

       14.3.1 程序流程图
       程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

图14.3.1.1 ESPTIMER实验程序流程图

       14.3.2 ESPTIMER函数解析
       ESP-IDF提供了一套API来配置高精度定时器。要使用此功能，需要导入必要的头文件：

1. #include "esp_timer.h"

复制代码

       接下来，作者将介绍一些常用的ESPTIMER函数，这些函数的描述及其作用如下：

       1，创建一个事件
       该函数用于创建ESPTIMER实例，其函数原型如下所示：

1. esp_err_t esp_timer_create(const esp_timer_create_args_t* create_args,
   
2.                            esp_timer_handle_t* out_handle);

复制代码

       该函数的形参描述如下表所示：

表14.3.2.1 函数esp_timer_create()形参描述

       返回值：ESP_OK表示创建成功。其他表示创建失败。
       下面是esp_timer_create_args_t结构体的成员变量描述。

表14.3.2.2 结构体tim_periodic_arg描述

       2，每个周期内触发一次
       该函数用于使能定时器的指定中断，其函数原型如下所示：

1. esp_err_t IRAM_ATTR esp_timer_start_periodic(esp_timer_handle_t timer,
   
2.                                                                                            uint64_t period_us);

复制代码

       该函数的形参描述，如下表所示：

表14.3.2.3 函数esp_timer_start_periodict()形参描述

       返回值：ESP_OK表示开启定时器成功。其他表示开启失败。

       14.3.3 ESPTIMER驱动解析
       在IDF版的05_esp_timer例程中，作者在05_esp_timer \components\BSP路径下新增了一个ESPTIM文件夹，用于存放esptim.c和esptim.h这两个文件。其中，esptim.h文件负责声明ESPTIMER相关的函数和变量，而esptim.c文件则实现了ESPTIMER的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。

       1，esptim.h文件

1. /* 函数声明 */
   
2. void esptim_int_init(uint64_t tps);                 /* 初始化初始化高分辨率定时器 */
   
3. void esptim_callback(void *arg);                    /* 定时器回调函数 */

复制代码

       2，esptim.c文件

1. /**
   
2. * @brief       初始化高精度定时器（ESP_TIMER）
   
3. * @param       tps: 定时器周期，以微妙为单位（μs），以一秒为定时器周期来执行一次定时器中断，那此处tps = 1s = 1000000μs
   
4. * @retval      无
   
5. */
   
6. 
   
7. void esptim_int_init(uint64_t tps)
   
8. {
   
9.     esp_timer_handle_t esp_tim_handle;                           /* 定时器回调函数句柄 */
   
10. 
    
11.     /* 定义一个定时器结构体 */
    
12.     esp_timer_create_args_t tim_periodic_arg = {
    
13.         .callback = &esptim_callback,                             /* 设置回调函数 */
    
14.         .arg = NULL,                                             /* 不携带参数 */
    
15.     };
    
16. 
    
17.     esp_timer_create(&tim_periodic_arg, &esp_tim_handle);        /* 创建一个事件 */
    
18. esp_timer_start_periodic(esp_tim_handle, tps);               /* 每周期内触发一次 */
    
19. }
    
20. 
    
21. /**
    
22. * @brief       定时器回调函数
    
23. * @param       arg: 不携带参数
    
24. * @retval      无
    
25. */
    
26. void esptim_callback(void *arg)
    
27. {
    
28.     LED_TOGGLE();
    
29. }

复制代码

       从ESPTIMER的初始化代码中可以看到，结构体esp_timer_create_args_t通过其中两个结构体成员，以指针的形式调用定时器回调函数。传入的参数tim_periodic_arg，目的在于方便后续的调用，而esp_timer_create()函数便是通过指针的方式完成对该结构体的调用，之后再通过esp_timer_start_periodic()函数设定周期，最终完成ESPTIMER的初始化配置。
       在定时器回调函数中，我们调用了LED状态翻转函数，并设定，定时器的每一次计数溢出都会翻转一次LED的状态。关于ESPTIMER结构体的介绍，请读者回顾本章节的14.3.2小节内容。

       14.3.4 CMakeLists.txt文件
       打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：

1. set(src_dirs            
   
2.             ESPTIM
   
3.             LED)
   
4. 
   
5. set(include_dirs
   
6.             ESPTIM
   
7.             LED)
   
8. 
   
9. set(requires
   
10.                          driver
    
11.                          esp_timer)
    
12. 
    
13. idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
    
14. INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
    
15. 
    
16. component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

复制代码

       上述的红色ESPTIM驱动需要由开发者自行添加，以确保ESPTIM驱动能够顺利集成到构建系统中，需要注意的是我们的依赖库（requires）需要添加上ESP32-S3定时器的库。这一步骤是必不可少的，它确保了ESPTIM驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。

       14.3.5 实验应用代码
       打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。

1. /**
   
2. * @brief       程序入口
   
3. * @param       无
   
4. * @retval      无
   
5. */
   
6. void app_main(void)
   
7. {
   
8.     esp_err_t ret;
   
9.     uint8_t len = 0;
   
10.     uint16_t times = 0;
    
11.     unsigned char data[RX_BUF_SIZE] = {0};
    
12. 
    
13.     ret = nvs_flash_init();        /* 初始化NVS */
    
14. 
    
15. if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
    
16.             ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    
17.     {
    
18.         ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
    
19.         ret = nvs_flash_init();
    
20.     }
    
21.    
    
22.     led_init();                                        /* 初始化LED */
    
23.     esptim_int_init(1000000);         /* 初始化高分辨率定时器，此处设置定时器周期为1秒，
    
24.                                    但该函数以微秒为单位进行计算，
    
25.                                    故而1秒钟换算为1000000微秒 */
    
26. }

复制代码

       从上面的代码中可以看到，ESP定时器的周期值配置为1000000，因为ESP32-S3高分辨率定时器的计数周期是以微秒作为基础单位进行运算，所以当我们设定计数周期为1秒时需要将单位换算为微秒。因此LED的闪烁周期为1秒。

       14.4 下载验证
       在完成编译和烧录操作后，可以看到板子上的LED在闪烁，LED在ESP定时器的中断回调函数中被改变状态，LED每间隔1000毫秒改变一次状态。