第十一章 TIMER_IT实验

       本章，我们将学习ESP32-S3的定时器，教会大家如何使用ESP32-S3的定时器实现定时功能。在本章中，我们将实现如下功能：开启ESP32-S3的定时器，并在定时器的回调函数中，翻转LED灯的状态。

       本章分为如下几个小节：

       11.1 定时器介绍

       11.2 硬件设计

       11.3 软件设计

       11.4 下载验证

        11.1 定时器简介

       11.1.1 定时器介绍

       定时器，顾名思义，用于设置定时。平常我们设定计时或闹钟，时间到了就告诉我们要做什么了。而这里的定时器同样也是如此，也需要设定定时到后的操作。

       ESP32-S3有通用定时器、系统定时器和看门狗定时器，本章主要讲解的是通用定时器。

       ESP32-S3有两个硬件定时器组，定时器组0和定时器组1，每组有两个硬件通用定时器，所以总共是有4个硬件通用定时器。它们都是基于16位预分频器和54位可自动重载的向上/向下计数器实现定时功能。

       ESP32-S3的计数频率为80MHz，假如对16位预分频器设置预分频系数为80，那么可得到1MHz的计数信号，每个计数信号的周期为1us，即每个计数单位为1us。基于要设定的时间，就可以对计数器进行设置。打个比方，要定时10ms，而每个计数周期为1us，这里得计算10ms需要多少个这样的1us周期：10ms / 1us = 10000，计数器就需要设置为10000，实现10ms定时，这个举例过程如下图所示。

图11.1.1.1 定时器定时配置过程

       当设置好定时器的预分频器以及计数器以及开启定时器，这时候定时开始，当计数值达到9999时，即到达设定时间，就会跳进中断回调函数中执行，执行完毕再回到主程序中运行。

       11.1.2 定时器函数介绍

       本小节介绍到的函数可在以下文件中找到：

       Arduino15\packages\esp32\hardware\esp32\2.0.11\cores\esp32\esp32-hal-timer.c

       接下来，我们介绍一下本章节所用到的TIMER相关函数。

       第一个函数：timerBegin函数，该函数功能是初始化一个定时器对象。

hw_timer_t * timerBegin(uint8_t num, uint16_t divider, bool countUp);

       参数num为定时器编号，0到3，对应4个硬件通用定时器；

       参数divider为预分频系数；

       参数countUp为计数器计数方向标志，true：向上计数；false：向下计数

       返回值：定时器结构体指针

       第二个函数：timerAttachInterrupt函数，该函数功能是为目标定时器绑定一个中断回调函数，配置定时器中断。

void timerAttachInterrupt(hw_timer_t *timer, void (*fn)(), bool edge);

       参数*timer为已初始化的目标定时器结构体指针；

       参数(*fn)()为定时器中断回调函数的函数指针；

       参数edge为中断触发类型，true：边沿触发，false：电平触发；

       返回值

       第三个函数：timerAlarmWrite函数，该函数功能是为目标定时器设置间隔定时参数和是否自动重装载。

void timerAlarmWrite(hw_timer_t *timer, uint64_t alarm_value, bool autoreload);

       参数*timer为已初始化的目标定时器结构体指针；

       参数alarm_value为最大计数值。向上计数到达该数值溢出，触发中断；

       参数autoreload为定时器在产生中断时是否重新加载的标志。true：自动加载，循环间隔定时，false：不自动加载，只进行一次间隔定时。

       无返回值。

       第四个函数：timerAlarmEnable函数，该函数功能是使能定时器，开始间隔定时。

void timerAlarmEnable(hw_timer_t *timer);

       参数*timer为已初始化的目标定时器结构体指针；

       无返回值。

        11.2 硬件设计

       1. 例程功能

       程序启动后配置定时器的定时时间为500毫秒，定时到来时执行中断回调函数翻转LED状态。

       2. 硬件资源

       1）LED灯

              LED-IO1

       2）Timer0

       3. 原理图

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

        11.3 软件设计

       11.3.1 程序流程图

       下面看看本实验的程序流程图：

图11.3.1.1 程序流程图

       11.3.2 程序解析

       1. timer驱动代码

       这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。EXTI驱动源码包括两个文件：tim.cpp和tim.h。

       下面我们先解析tim.h的程序。我们做了定时器的相关定义。

#define TIMx_INT        0
#define TIMx_ISR        tim0_ISR

       我们选择使用通用定时器0，当然你也可以通过改变TIMx_INT的值进行初始化别的定时器。TIMx_ISR宏是定时器0的中断回调函数，采用该宏移植性更加强。

       下面我们再解析tim.cpp的程序，这里有两个函数timx_int_init和TIMX_ISR，其定义如下：

hw_timer_t *timer = NULL;
 
/**
 * @brief   定时器TIMX定时中断初始化函数
 * @note
 *           定时器的时钟来自APB,而APB为80M
 *          所以定时器时钟 = (80/psc)Mhz, 单位时间为 1 / (80 / psc) = x us
 *         定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us
 *         Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
 *
 * @param   arr: 自动重装值
 * @param   psc: 时钟预分频数
 * @retval 无
 */
void timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    timer = timerBegin(TIMx_INT, psc, true);      /* 初始化定时器0 */
 
    timerAlarmWrite(timer, arr, true);             /* 设置中断时间 */
 
    timerAttachInterrupt(timer, &TIMx_ISR, true);  /* 配置定时器中断回调函数 */
 
    timerAlarmEnable(timer);                          /* 使能定时器中断 */
}
 
/**
 * @brief  定时器TIMX中断回调函数
 * @param  无
 * @retval 无
 */
void TIMx_ISR(void)
{
    LED_TOGGLE();
}

       timx_int_init函数是初始化定时器0，首先调用timerBegin函数初始化一个定时器对象并采用向上计数方式，然后调用timerAlarmWrite函数配置中断时间并设置自动加载，后面再调用timerAttachInterrupt函数设置定时器边沿触发中断，最后调用timerAlarmEnable函数使能开启定时器。

       注意：定时器的定时时间是由timx_int_init函数的参数决定，这里我们定义了一个全局的hw_timer_t类型的结构体指针timer；timerAlarmWrite函数的autoreload参数需要设置成true，才能一直循环间隔定时，否则只会执行一次就停下来。

       TIMx_ISR函数就是定时器0中断回调函数。函数内部很简单，就是对LED灯的状态进行翻转。

       2. 05_timer_it.ino代码

       在05_timer_it.ino里面编写如下代码：

#include "tim.h"
#include "led.h"
 
 
/**
 * @brief   当程序开始执行时，将调用setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
 * @param   无
 * @retval  无
 */
void setup() 
{
    led_init();                  /* LED初始化 */
    timx_int_init(5000, 8000);  /* 定时器初始化,定时时间为500ms */
}
 
/**
 * @brief   循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
 * @param   无
 * @retval  无
 */
void loop() 
{
    /* 死循环,不做事情,等待定时器中断触发 */
    delay(1000);
}

       在setup函数中，除了要调用led_init函数对LED灯进行初始化，还要调用timx_int_init函数初始化定时器0，通过参数我们可以算出定时时间为500毫秒。启动定时器后，每隔500毫秒进入我们编写好的定时器中断回调函数中，执行LED灯状态翻转操作。

       由于该实验是用来测试定时器中断的，所以在loop函数中，不需要做事情，调用delay函数即可。

        11.4 下载验证

       下载代码完成后，ESP32-S3开发板每隔500毫秒触发一次中断，然后在中断回调函数中切换LED灯的状态。