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定时器与 PWM：把时间外包给硬件（以 Cortex-M4 为例）

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作者 技术笔记 34 分钟阅读

你想给板子加个呼吸灯——LED 慢慢亮、慢慢灭，显得有生命感。PWM 还没学，就用最朴素的办法硬模拟：主循环里翻转引脚，亮多灭少就是”变亮”，亮少灭多就是”变暗”。灯真的呼吸起来了。然后你往主循环里加了一行 printf，呼吸开始抽搐；把它搬进 FreeRTOS 任务里，别的任务一忙，灯就一卡一卡。你反复检查，每一行都没写错。

错的是整个做法本身：你在用 CPU 的手指头充当电路。CPU 的每一拍都可能被中断抢走、被调度器拿走，而”亮 250 微秒、灭 750 微秒”这件事要求每 1 毫秒都分毫不差——一个连自己下一拍在哪都不敢保证的家伙，演不了节拍器。

这篇文章以应用最广的 32 位内核之一 Cortex-M4（以 STM32F407 为例）为背景，分三层把定时器拆开：先让一盏硬件 PWM 呼吸灯跑起来，再看那台”数数的小电路”内部发生了什么，最后想明白——为什么 MCU 里最不值钱的逻辑门，反而配得上接管最金贵的东西：时间。也是还账的一篇：《GPIO》 里说”消抖是定时器的活，这篇先不碰”，《UART》 结尾说”往定时器走”——两笔账今天一起清。

L1：先让它跑起来——还是那盏绿灯，这次自己呼吸

你在第一层。目标：用最小代码让硬件 PWM 呼吸灯跑起来，对定时器的配置长什么样有个地图感。

还是 GPIO 篇那盏 PD12 的灯，还是那块 STM32F407。这次它的身份变了：PD12 在芯片内部还连着 TIM4 的通道 1——定时器有个专门的输出引脚，就像串口有 TX/RX 一样。把引脚交接给定时器，从此灯的亮灭节拍就由它说了算：

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#define RCC_AHB1ENR (*(volatile unsigned int*)0x40023830)
#define RCC_APB1ENR (*(volatile unsigned int*)0x40023840)
#define GPIOD_MODER (*(volatile unsigned int*)0x40020C00)
#define GPIOD_AFRH  (*(volatile unsigned int*)0x40020C24)
#define TIM4_CR1    (*(volatile unsigned int*)0x40000800)
#define TIM4_CCMR1  (*(volatile unsigned int*)0x40000818)
#define TIM4_CCER   (*(volatile unsigned int*)0x40000820)
#define TIM4_EGR    (*(volatile unsigned int*)0x40000814)
#define TIM4_PSC    (*(volatile unsigned int*)0x40000828)
#define TIM4_ARR    (*(volatile unsigned int*)0x4000082C)
#define TIM4_CCR1   (*(volatile unsigned int*)0x40000834)

void delay(volatile int n) { while (n--) ; }   /* 粗糙的软件延时，量级对就行 */

int main(void)
{
    RCC_AHB1ENR |= 1u << 3;            /* 打开 GPIOD 的时钟 */
    RCC_APB1ENR |= 1u << 2;            /* 打开 TIM4 的时钟 */

    GPIOD_MODER |= 2u << 24;           /* PD12 -> 复用（10）：老朋友 */
    GPIOD_AFRH  |= 2u << 16;           /* PD12 -> AF2 = TIM4（AFRL/AFRH 的账 GPIO 篇算过） */

    TIM4_PSC  = 83;                    /* 84MHz / 84 = 1MHz：数一下就是 1µs */
    TIM4_ARR  = 999;                   /* 从 0 数到 999 再归零：一个周期 1ms，即 1kHz */
    TIM4_CCR1 = 0;                     /* 阈值先放 0：灯全灭 */

    TIM4_CCMR1 = (6u << 4) | (1u << 3);/* OC1M=110：PWM 模式 1 | OC1PE：阈值预装 */
    TIM4_CCER  = 1u << 0;              /* CC1E：把通道 1 接到引脚上 */
    TIM4_EGR   = 1u << 0;              /* UG：先强制装一次（为什么 L2 讲） */
    TIM4_CR1   = 1u << 0;             /* CEN：开始数 */

    int step = 0, up = 1;
    while (1) {
        TIM4_CCR1 = step;              /* 整个呼吸灯，CPU 只剩这一件事 */
        step += up ? 5 : -5;
        if (step >= 1000 || step <= 0) up = !up;
        delay(50000);
    }
}

烧进去，绿灯缓缓地呼吸。现在往主循环里随便加 printf、把它搬进 FreeRTOS 任务、开十个中断——灯的节拍纹丝不动。CPU 只剩”隔一会儿改一下阈值”这一件事，改完转头就走，节拍是硬件自己在数。

先挑几个”看着眼生”的地方钉一下：

  • TIM4_PSC = 83 和 TIM4_ARR = 999：这是定时器的两根”变速齿轮”，一个决定数得多快，一个决定数到几算一轮。84MHz 的时钟经过它们，变成 1kHz 的节奏——两个除法，就是文首那台”节拍器”的全部秘密，L2 专门拆。
  • 一个埋伏的坑：TIM4 挂在 APB1 总线上，APB1 是 42MHz——但定时器的时钟其实是 84MHz。APB1 分频系数不是 1 时，芯片会把定时器时钟自动翻倍（外设慢点无所谓，数数的不能慢），这是 STM32 出了名的”手册缝里的知识”，算频率前必须先知道。
  • TIM4_CCR1：比较值（Compare）。它就是那个”阈值”——CPU 唯一还要写的寄存器。占空比 = CCR / (ARR+1)，写 250 就是 25% 亮度。
  • TIM4_CCMR1 里的 6u << 4：模式编号 110，官方名字”PWM 模式 1”，翻译成人话是”数得比阈值小就亮“。旁边那个 1u << 3 是”预装”开关，L2 的影子里再讲。
  • TIM4_EGR = 1u << 0：UG 位，”手动发一次更新事件”。看着突兀，删了这行，头一个周期的分频比不生效——为什么，正是 L2 的第一课。

到这里你已经有一盏不怕打扰的呼吸灯了。但你欠着一屁股解释：两个除法怎么就变成了 1kHz？CCR 凭什么控制亮度？那行神秘的 UG 又在倒腾什么？

L2：懂原理——一台只会数数的小电路

到这一层，问题变了：不再问”怎么写”，而是问”底下发生了什么”。

先看这台机器怎么数：PSC、ARR、CNT 三件套

TIM4 内部真正干活的，是一个 16 位计数器 CNT，外加两根你写死的数：PSC（预分频）和 ARR（自动重装值）。它的全部日常只有一句话：

拿着 84MHz 的钟拍，每 (PSC+1) 拍数一下；数到 ARR，”啪”地归零，顺便喊一声”到点了”（更新事件），再从 0 数起。

我们这组配置（PSC=83，ARR=999）画出来是一把锯齿：

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999 ┤     /|     /|     /|     /|
    │    / |    / |    / |    / |     ← 顺着斜坡往上爬的是 CNT
    │   /  |   /  |   /  |   /  |        每微秒 +1，谁也不等
    │  /   |  /   |  /   |  /   |
  0 ┤_/    |_/    |_/    |_/    |_
    └──────┴──────┴──────┴──────┴────▶ 时间
    ←– 1ms –→←– 1ms –→
              ↑ 数到 999 归零的瞬间 = 更新事件
               （想干活可以挂中断，L2 最后一节就干这个）
看这张图时注意那个竖直的””“：计数器不是数到 999 就停，是瞬间归零重来。这个”归零重来”本身就是个事件——它可以触发中断，L3 会看到它是整套设计的灵魂。

现在把频率的账算给你看，一步除法都不含糊：84MHz ÷ (83+1) = 1MHz（PSC 负责），每个数 1µs；从 0 数到 999 共 1000 个数（ARR+1 个），周期 = 1000 × 1µs = 1ms，频率 1kHz。合起来一个公式：

\[f_{PWM} = \frac{f_{timer}}{(PSC+1) \times (ARR+1)} \qquad 占空比 = \frac{CCR}{ARR+1}\]

顺便就能看懂那行神秘的 UG 了：PSC 是带”影子”的——你写进去的新值先存在影子里，要等下一次更新事件才真正生效。上电后 CNT 还没数到过顶，更新事件一次都没发生过，PSC 的影子还是出厂值 0。EGR 的 UG 位就是”手动补发一次更新事件”，把 PSC、ARR 一口气装进真身。别小看这个细节：漏写 UG，第一个周期的分频比是错的——频率对、周期差一拍的疑难杂症，病根常在这儿。（顺带一个坑：UG 会把状态寄存器 SR 里的 UIF 标志也置起来，后面若开更新中断，记得先清——定时器的标志是写 0 清除，跟 《UART》 里”读 SR 再读 DR”的清法不是一路的。）

PWM：在锯齿旁边放一条水平线

有了锯齿，PWM 就没有任何新东西了——一个比较器。PWM 模式 1 的规则翻译过来：CNT < CCR 时输出高，CNT ≥ CCR 时输出低。把你的阈值（CCR=250）画到锯齿图上，输出波形直接从图里”长”出来：

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250 ┤ ─ ─ ─╱┃─ ─ ─ ╱┃─ ─ ─ ╱┃─ ─    ← CCR：你画的那条水平线
999 ┤     ╱ ┃     ╱ ┃     ╱ ┃
    │    ╱  ┃    ╱  ┃    ╱  ┃
    │   ╱   ┃   ╱   ┃   ╱   ┃
  0 ┤__╱    ┃__╱    ┃__╱    ┃__
    └───────┴───────┴───────┴────▶ 时间
    0µs    250µs    1000µs
            ↑ CNT 爬过 250 的瞬间，输出翻转

输出 ┌────┐       ┌────┐       ┌────┐
     │    │       │    │       │    │
   ──┘    └───────┘    └───────┘    └──
     ←250µs→←–750µs–→
      亮 25%   灭 75%

每个周期开始，CNT 从 0 起步，比 250 小，输出为高；爬过 250 的那一拍，比较器翻转输出；归零重来，又变高。PWM 的本质就是锯齿和水平线比大小，交点就是翻转沿——阈值抬高，交点右移，亮的时段变长；阈值降到 0，整轮都比它大，全程灭；阈值抬过 ARR，整轮都比它小，全程亮。

这就回答了 L1 埋的问题：CPU 为什么只写 CCR1 就够了？因为它写的是那条水平线，锯齿是硬件在爬。文首的软件呼吸灯错在哪儿也清楚了：它用 CPU 的循环去模拟这条锯齿，任何中断一来，斜坡就断——输出的沿由 CPU 的执行时间决定，而 CPU 的执行时间从不受它自己控制。硬件 PWM 的沿由计数器决定，计数器只认钟拍，不认任何人。

还有一个数字值得咂摸：1kHz，LED 每秒亮灭一千次。为什么看不出闪烁？人眼对上百赫兹的周期性明暗就基本无感了——你看到的一直是”平均值”。这个”平均值”是全文最反直觉的一件事，L3 收尾时专门翻出来。

频率不是随便选的：三个真实的档位

ARR 想写多大写多大？不行——TIM4 是 16 位的，ARR 最大 65535。这笔账一算，一个反直觉的事实就出来了：

  • PSC=0（不减速）时，这块定时器能输出的最低 PWM 频率是 84MHz ÷ 65536 ≈ 1.28kHz。区区 50Hz？直接数不到，必须先用 PSC 把钟降下来。定时器明明数得飞快，却连”慢”都要费一番配置——快是它的天性，慢是它要努力的事。
  • 反过来，PWM 频率选高也有代价：同一根钟，频率翻倍，一轮里能数的格子就减半。84MHz 出 20kHz，一轮 4200 个格子，占空比就只有 4200 档（约 12 位精度）；出 1kHz 则有 84000 个格子——但 16 位装不下，又得请 PSC 出场。频率和分辨率，同一根钟掰不开的两头。

三个真实世界的档位，各有各的”为什么”：

应用频率为什么是这个数
LED 调光~1kHz高于人眼感知极限，低到占空比档位足够多
舵机50Hz协议古老：20ms 一帧，脉宽 1–2ms 编码角度
电机调速~20kHz高出人耳可听频段——低了线圈会发出哨声（”电机啸叫”）

（舵机那一行，动手环节会让你亲手把 PSC 和 ARR 算出来。）

挂上中断：兑现 GPIO 篇欠的消抖账

锯齿每次”啪”地归零都是一次更新事件，可以挂中断——DIER 的 bit0 使能，NVIC 里给 TIM4 开闸（IRQ 号 30，ISER0 的第 30 位）。于是 GPIO 篇那句”按键抖几十毫秒，真实项目要消抖，那是定时器的活”可以还账了：每 1ms 醒一次，采样按键电平，连续 5 次读到同一个新状态才认——抖动是真假交替的毛刺，撑不过”连续 5 次”这道门槛：

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void TIM4_IRQHandler(void)
{
    static int stable = 1, count = 0;             /* 1 = 松开（上拉的默认态） */
    if (TIM4_SR & 1u) {                           /* UIF：又过了一个 1ms */
        TIM4_SR &= ~1u;                           /* 写 0 清标志 */
        int now = (GPIOD_IDR & (1u << 1)) != 0;   /* PD1 现在的电平 */
        if (now != stable) {
            if (++count >= 5) { stable = now; count = 0; }   /* 连续 5ms 异样才认 */
        } else {
            count = 0;
        }
    }
}

这套”定期醒来、多次确认”的打法，比 GPIO 篇的轮询体面在两处：CPU 平时可以干别的（甚至睡觉），且时间准——1ms 就是 1ms，不是”跑一圈大概是几毫秒”。你可能觉得眼熟：《FreeRTOS 核心原理》 里那个每 1ms 敲一次门的 SysTick，就是同一种机器——内核自带的 24 位定时器，专职给操作系统打拍子。从呼吸灯到操作系统心跳，底层是同一块数数电路。

到这里你已经懂原理了。但有个更根本的问题压着：数数这么简单的活，凭什么值得做成独立硬件？CPU 每秒上亿次运算，数个数不是顺手的事吗？

L3：想得透——为什么时间必须外包

到这一层，问题变成：这些设计是理所当然的吗？换掉行不行？

本质：定时器到底是什么

去掉所有术语，TIM4 是这样一件事：

一块独立于 CPU 的小电路，只干两件事：照着钟拍数数，数到头自动归零重来；再把”数到几”和”你写死的那个数”比个大小，结果直接变成引脚上的电平。CPU 从此和节拍脱钩——它只负责偶尔改一改那条水平线。

给同事的一句话：软件 PWM 和硬件 PWM 的差别，就是”乐手自己数拍子”和”跟着节拍器数拍子”的差别——乐手水平再高，一走神就抢拍；节拍器不会走神，因为它除了打拍子什么都不会。专用的笨，恰恰是专用的准。这是嵌入式反复出现的一条母题：《Cortex-M4 与 MCU 开发》 里 GPIO 替 CPU 看引脚、UART 替 CPU 收波形、DMA 替 CPU 搬数据，如今定时器替 CPU 管时间——外设的本质就是”把 CPU 不擅长或耗不起的事，外包给一块不会分心的小电路”。时间是最特殊的那个，因为时间不受任何人暂停：CPU 慢一拍就是真的少了一拍，没有补考。

三个”被否决的方案”

本质立住了，还得追问一层：为什么是这个方案，而不是显然的替代方案？

被否决的方案一：CPU 软件循环。（就是文首的你。） 看起来零成本——不用配寄存器，一个 while 就写了。失败场景文首已经演过：输出沿的位置 = 某几条指令的执行时间，而指令的执行时间会被中断、抢占、缓存全部拉长。占空比的精度上限就是中断延迟，毫秒级中断一来，25% 可能瞬间变成 40%。更深的代价是功耗：软件 PWM 意味着 CPU 永远不能睡——时间被 CPU 的清醒绑架了。硬件 PWM 下 CPU 关中断睡觉去，灯照常呼吸。

被否决的方案二：不要两根齿轮，用一根超宽计数器直接数。 疑问很正当：既然数快了，为什么要 PSC、ARR 两级分频这么麻烦？拿一个 32 位计数器直接从 0 数到目标周期不就完了？（芯片里真有 32 位定时器——TIM2 和 TIM5。）两级结构赢在两件事。一是经济的变速范围：两根 16 位齿轮咬合，用 32 位的代价换出了从微秒到分钟级的量程，多数应用里 16 位定时器就够，硅面积和功耗都是真金白银。二是那声”啪”：计数到 ARR 归零的更新事件，是所有参数的同步点——PSC、ARR、CCR 的新值都先存进影子寄存器，等下一次更新事件同一拍一起生效。改占空比、改频率永远不担心波形撕裂出一半新一半旧的畸形周期。一根宽计数器没有这个天然的”换挡时刻”。

被否决的方案三：CPU 查表 + DMA 定期喂引脚。 这条其实没被否决——它被收编了。用 DMA 按节拍把一张预先生成好的波形表搬到输出寄存器，CPU 出表格、DMA 出节拍，思路完全成立。代价是占用一条 DMA 通道、吃总线带宽，引脚一多就破产；但驱动 WS2812 灯带（每根数据线上跑极窄的时隙编码）时，PWM+DMA 查表正是标准打法。它是”CPU 出内容、硬件出时间”这条原则的另一种分工——本文的主角 PWM 比它更省：连 DMA 都不用，比较器自己就把波形”长”出来了。

一段顺手的历史

“定时器”这个名字的祖师爷是 555 芯片——1972 年 Signetics 出品，Hans Camenzind 设计，一片几毛钱的八脚小芯片，外围两三个电阻电容，就能当多谐振荡器或单稳态触发器。它卖了几十亿颗，至今还在电路板上活着，是很多工程师摸到的第一颗”会自己动”的芯片。MCU 上的 TIM4 可以看作几十颗 555 的职责被收编进片内、再统一挂上总线：“把时间做成独立小电路”这个思想 1972 年就定型了，MCU 只是让这块小电路可以直接写寄存器、还能反过来敲门喊中断。

（那”啪”地归零的更新事件，在 555 那里对应的是电容电压冲过阈值后猛然放电的那一下——同样的锯齿，同样的回零。你在示波器上看过 555 的话，现在你已经知道你在看什么了。）

一个反直觉收尾

回到 LED：你以为呼吸灯输出的是”变化的亮度”，但引脚上从来只有 0V 和 3.3V 两个电平，一分钟也没有过中间值。25% 占空比时，LED 每毫秒被点亮 250 微秒、掐灭 750 微秒——是眼睛的视觉暂留把这一串脉冲积分成了”25% 的亮度”。换到电机上做这件事的是线圈的电感：电流跟不上电压的快速翻转，于是”看见”的也是平均值；舵机的机械惯性同理。所以 PWM 的输出电压严格说是 3.3V × 占空比（25% → 0.83V）这个”平均”从来不出现在引脚上，它是负载自己积出来的。

PWM 不是”输出模拟电压”，而是”把一个模拟量打包成数字快递”——发件方只发 0 和 1，解码是收件人自带的物理惯性完成的。

这也解释了 PWM 为什么能大行其道：数字系统最擅长的是满血 0 和 1（晶体管开关状态最省电、最干净），最不擅长的是中间态。PWM 让数字系统永远只做最擅长的事，把”中间态”外包给物理世界——和本文把时间外包给定时器，是同一个思想的两张面孔。

动手环节：一张纸，把时间算出来

这次的实验还是不需要板子，一支笔就够——算的仍是本文的灵魂：那两级分频的账。

实验一：配一台舵机。 舵机要 50Hz、脉宽 1–2ms。TIM4 时钟 84MHz，PSC 取 83。先预测：ARR 该写几？脉宽 1.5ms（中位）对应 CCR 该写几？

答案：PSC=83 → 计数频率 1MHz；50Hz 一个周期 20ms = 20000 个数 → ARR = 19999。1.5ms = 1500 个数 → CCR = 1500；边界 1ms/2ms 就是 CCR 1000/2000。顺手验证上一节的断言：20000 < 65536，恰好塞进 16 位——但要是想省掉预分频硬数，84MHz ÷ 50Hz = 1680000 个数，16 位装不下，这就亲手证明了”50Hz 必须开 PSC”不是一句空话。

实验二：这台机器的下限。 PSC=0 时，TIM4 能输出的最低 PWM 频率是多少？再算：想用 84MHz 出 20kHz 的电机 PWM，占空比有几档？相当于几位精度？

答案：最低频率 = 84MHz ÷ 65536 ≈ 1.28kHz。20kHz 时一轮 = 84MHz ÷ 20kHz = 4200 个数，即 4200 档 ≈ 12 位（2¹² = 4096）。两个数字连起来看就是那条取舍曲线：频率每翻一倍，档位减半——”频率与分辨率是同一根钟掰不开的两头”，现在是你亲手掰过的了。

实验三：消抖的延迟账。 按键抖动最长 10ms，采样周期 1ms，要求连续 5 次读到”按下”才确认。先预测：从手指触底到系统确认”确实按下了”，最坏情况延迟多久？

答案：最坏情况，抖动的假”松开”恰好撑满前 10ms，之后需要连续 5 次按下采样——第 5 次出现在抖动结束后第 4ms，总延迟约 10 + 4 = 14ms。人手指对按键延迟的无感区在几十毫秒开外，14ms 完全无感——但要是你把”连续 5 次”加到”连续 50 次”图更稳，就是 60ms，开始硌手了。滤波强度和响应速度永远在互相拉扯，N 取多少是笔要算的账，不是拍脑袋的数。

三个自测问题，能答上说明这三层你真爬过了：

  1. 84MHz 的 TIM4 为什么直接输出不了 50Hz？两级齿轮里哪一级在救场？（答案在 L2：16 位 ARR 只数到 65535，最低 1.28kHz；PSC 先把钟降到 1MHz。）
  2. 软件呼吸灯为什么一加 printf 就抽搐，硬件 PWM 加十个中断都纹丝不动？（答案在 L2：软件的输出沿由 CPU 执行时间决定，中断一来就漂；硬件的沿由只认钟拍的计数器决定。）
  3. 改占空比就是改 CCR——为什么改的时候不用担心波形”撕”成一半旧一半新？（答案在 L2/L3：CCR 先进影子寄存器，更新事件那一拍才整拍生效。）

收尾地图

把整篇文章收进一张速查表：

你想干什么配方一句话理由
LED 呼吸灯/调光~1kHz，改 CCR 即改亮度高于视觉暂留，低于费不了几格档位
舵机50Hz：PSC=83、ARR=19999，CCR 1000–200020ms 一帧，脉宽编码角度
电机调速~20kHz，高级定时器（TIM1/TIM8）出可听频段免啸叫；死区和互补输出下篇见
按键消抖1ms 更新中断 + 连续 N 次一致本文 L2 已兑现 GPIO 篇欠的账
周期性任务/OS 心跳SysTick 挂中断FreeRTOS 的敲门人，同一块电路
精密慢节奏检查 16 位上限，不够先降 PSCARR≤65535，频率下限 ≈1.28kHz
波形复杂但不挑脚PWM+DMA 查表（如 WS2812）“CPU 出表、硬件出拍”的另一种分工

下一站，就是 GPIO 篇点灯、本文调速一路铺过来的那条路：电机控制。20kHz 只是入场券——H 桥上两个开关管绝不能同时导通（直通即短路），所以 TIM1/TIM8 这类高级定时器自带”互补输出 + 死区插入”：一对 PWM 波形天生互补、之间还留出几十纳秒的都关断的安全空隙，硬件替你看住上下管；再配上编码器和 PID，机器人底盘的轮子就从这里开始转。若想先歇歇脚，往总线走：I2C 和 SPI——它们各自的时钟线，正是一台降了速的定时器在门外数拍子。你已经认识它的内部构造了。

嵌入式
timer pwm cortex-m4 stm32 嵌入式
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权