单片机定时器与中断系统详解——从CNT到NVIC
笔记 / 嵌入式
引言
定时器和中断是嵌入式系统的”心跳”与”神经系统”。定时器让单片机感知时间的流逝，中断让单片机能够及时响应外部事件。两者结合，构成了实时嵌入式系统的核心基础。
一、核心组件概览
STM32 定时器中断系统由三个核心部件协同工作：
| 部件 | 作用 |
|---|---|
| 定时器 (TIM) | 产生定时中断请求 |
| NVIC (嵌套向量中断控制器) | 判断优先级并决定是否响应中断 |
| CPU | 暂停当前任务，跳转到中断服务函数执行 |
二、定时器核心寄存器
| 寄存器 | 全称 | 功能 |
|---|---|---|
| CNT | 计数器 | 根据时钟信号递增/递减计数 |
| PSC | 预分频器 | 对输入时钟分频，扩展定时范围 |
| ARR | 自动重装载寄存器 | 设定计数上限，CNT 达到 ARR 时触发更新事件 |
| DIER | 中断使能寄存器 | 控制是否允许定时器事件触发中断 |
| SR | 状态寄存器 | 包含 UIF（更新中断标志）等标志位 |
定时计算公式
实际计数频率 CK_CNT = TIMxCLK / (PSC + 1)
中断周期 = (ARR + 1) / CK_CNT示例：APB1 时钟 72MHz，PSC=71，ARR=999
→ CK_CNT = 72MHz / 72 = 1MHz
→ 中断周期 = 1000 / 1MHz = 1ms
三、中断触发完整流程
1. CNT 计数到达 ARR 值
↓
2. 硬件自动置位 UIF（更新事件标志）
↓
3. 若 UIE（更新中断使能位）已使能
↓
4. 定时器向 NVIC 发送中断请求
↓
5. NVIC 根据优先级判断是否响应
↓ (若响应)
6. CPU 暂停当前任务，保存现场，跳转到中断服务函数
↓
7. ISR 中执行业务代码
↓
8. 【关键】手动清除 UIF 标志位四、NVIC 中断优先级详解
抢占优先级 vs 响应优先级
| 优先级类型 | 作用 |
|---|---|
| 抢占优先级 | 决定中断是否可嵌套。高抢占优先级可以打断低抢占优先级的中断 |
| 响应优先级（子优先级） | 抢占优先级相同时，若多个中断同时到达，响应优先级高者先处理 |
优先级分组（5 组，4 位分配）
| 分组 | 抢占优先级位数 | 子优先级位数 | 抢占级数 | 子优先级级数 |
|---|---|---|---|---|
NVIC_PriorityGroup_0 | 0 | 4 | 0 | 16 |
NVIC_PriorityGroup_1 | 1 | 3 | 2 | 8 |
NVIC_PriorityGroup_2 | 2 | 2 | 4 | 4 |
NVIC_PriorityGroup_3 | 3 | 1 | 8 | 2 |
NVIC_PriorityGroup_4 | 4 | 0 | 16 | 0 |
数值越小，优先级越高。推荐使用 Group 2（4 级抢占 + 4 级子优先级），在嵌套能力和响应顺序之间取得平衡。
五、完整配置步骤
第1步：使能外设时钟
// TIM2 挂载在 APB1 总线上
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);第2步：配置 NVIC 中断优先级
void TIM2_NVIC_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}第3步：初始化定时器时基参数
void TIM2_Config(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // ARR
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // PSC
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
}第4步：使能中断并启动定时器
TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update); // 清除标志位
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能更新中断
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 启动定时器第5步：编写中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 必须清除标志位！
// 用户逻辑
LED_TOGGLE();
}
}六、注意事项
| 注意事项 | 说明 |
|---|---|
| 必须手动清除中断标志 | 不调用 TIM_ClearITPendingBit() 会导致反复进入中断，程序卡死 |
| 中断函数名要正确 | 必须与启动文件中定义的中断向量名称一致 |
| ISR 内代码尽量简短 | 复杂逻辑应设置标志位，在主循环中处理 |
| 初始化时清除标志位 | 在 TIM_ITConfig 之前调用 TIM_ClearFlag 防止误触发 |
| 确认时钟总线 | TIM1/TIM8 挂 APB2，TIM2~TIM7 挂 APB1 |
七、STM32 定时器分类
| 类型 | 定时器 | 功能 |
|---|---|---|
| 高级控制定时器 | TIM1、TIM8 | 3 对 PWM 互补输出，常用于三相电机驱动 |
| 通用定时器 | TIM2~TIM5 | 定时、PWM 输出、输入捕获、编码器接口 |
| 基本定时器 | TIM6、TIM7 | 仅定时功能，无外部 IO |
总结
定时器与中断是嵌入式系统的脉搏。理解了 CNT 如何计数、ARR 如何设定周期、NVIC 如何仲裁优先级，你就掌握了实时系统最核心的”时间感”。配合下一篇文章的输出比较与输入捕获，定时器的威力才能真正发挥。
时间不在于你拥有多少，而在于你怎样使用。 —— 艾克