机器人是怎么计时的（通用定时器 - 时基单元）-编程知识

一，引言

技术的迅猛发展，赋予了越来越多科技产品“智能化”的标签。如智能洗碗机，智能冰箱，智能电饭煲……这些“机器人”（我们姑且这样称呼它们）都有一个共同的功能——计时。你是否有过好奇——它们是如何精确而稳定地计量时间的呢？让我们一探究竟。

二，机器人的“大脑”

机器人计时是在它们的“大脑”中进行的。这个“大脑”，学名叫“单片机（Single-Chip Microcomputer）”，又称“微控制器（Microcontroller Unit，MCU）”。

想象一下，把一台电脑中的主板、CPU、内存、硬盘等各种部件全部浓缩在一枚指甲盖大小的芯片上——这就是单片机。由于普通机器人对于信息的处理并不像电脑那样，承载着巨量的数学计算，而是进行环境信号的采集与对应指令的输出，单片机也就不需要过大的容量与体积。

而本系列的主要内容，就是介绍单片机中最强大、最复杂的外设——定时器。

本文讲解定时器的时基单元，也就是“机器人的计时原理”。听起来似乎有些专业？不妨继续往下看，接下来的内容，我会尽我所能，让你对时基单元有一个基本的认识。

三，时基单元介绍

1，定时器框图

如图1，是通用定时器的整体框图：

图1 定时器框图

整体可分为四个模块：时钟模块，时基单元，输入捕获与输出比较。本文在介绍时基单元的基础上，会同时介绍一点时钟方面的知识。

2，时基单元

我们将时基单元单独拆出，如图2：

图2 时基单元

时钟脉冲（CK_PSC，72MHz）被预分频器接收，经过预分频器分频后，脉冲转变成CK_CNT（CK_CNT和CK_PSC的区别是频率不同，若预分频器设置为2分频，CK_CNT就是36MHz）进入CNT计数器中，时基单元开始计数——其中，计数方式有三种：向上计数、向下计数与中央对其计数，这里只介绍向上计数，顾名思义，就是从0开始，按照1、2、3的方式向数值较大的方向计数——在计数的同时，计数器中的值会与自动重装载寄存器（由我们设置）中的值相比较，若达到了我们期望比较的结果（如计数器的值大于我们设定的值），就会输出相应的指令。文字有点长，结合图2阅读也许会不那么抽象。

以上，就是时基单元基本的情况。接下来，我们分别讨论时基单元中三个模块的原理。

（1）预分频器

我们结合预分频器时序图来剖析原理：

图3 预分频器时序图

可以看到，在图2中，预分频器由“PSC预分频器”与一块阴影组成，其中，“PSC预分频器”名字叫“预分频控制寄存器”，而“阴影”叫预分频缓冲器，也叫影子寄存器，这里我简称其为“缓冲器”。我们修改数值，是在预分频控制寄存器中，修改之后，预分频控制寄存器将设置的值放入缓冲器，由缓冲器控制预分频计数器的数值变化（如图3），也就是说，真正控制预分频器工作的，是缓冲器。但为什么会这样设计呢？在自动重装寄存器中，我会阐述答案。

上文中，我们理出了预分频器本身的基本运作方式，读者可以在纸上画一下流程图熟悉一下大体框架。

我们提到了“预分频计数器”，这就是预分频器的重点——预分频器本质也是个计数器，通过图3，我们来梳理它的原理。预分频缓冲器中的设定值，就是预分频计数器计数的最大值，这一点可以对比图3中上下两幅图的最后一排预分频计数器前后计数的变化理解。当预分频计数器计数值为0时，CK_INT输出一个高电平，同时，计数器向上计数一次，CK_INT的意思见图2。当计数器到达自动重装载寄存器的值时，就会从0重新计数（向上计数模式）。在每次计数到达设置值时，产生一个更新事件，更新事件就是图2中那个像闪电一样的箭头，上面写着U。而UI是产生定时中断的意思，这两个东西知道就行。

可能会有些难以理解，但是照着图像一句话一句话地理解，能够梳理出思路。

（2）CNT计数器

CNT计数器时序图如图4：

图4 计数器时序图

其中，CK_INT和图3中的CK_PSC是一样的。到这里，也许我们会产生疑惑：时钟这么重要，它到底是个什么东西？结合图3和图4，可以看到，我们所设置的信号中，上升沿和时钟都是同时性的，也就是说，时钟就像是一块石头，我们通过去掉与保留石头的各个部分，把石头雕刻成我们想要的部分——时钟也是一样。

（3）自动重装载寄存器

自动重装载寄存器时序图如图5：

图5 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器，是计数器的“顶点”，计数器到达了我们在自动重装载的值，就会“溢出”，如图5中，比如，我们让计数器达到4的时候进行“溢出”，也就是输出一个高电平，表示计了5次数字（从0开始计数），溢出之后，计数器就又会从0开始进行计数——是不是很像“画正字”呢?

图5是分为上下两个图的，两个图的区别在于，上面的图没有使用缓冲器（框图中的“影子”），下面使用了缓冲器。可以看见，在没有使用缓冲器时，我们原先设置计数终点是FF，在计数到32时，将FF改成了36，计数器寄存器计数到36时，就重新从0开始计数了；而使用了缓冲器，当我们改变计数终点时，计数器会计数到F5后，才会从0开始重新计数，直到计数到我们新设置的36后，再从0开始重新计数。

有些绕，但是慢下来，对着图画一下思维导图，就能理解这段文字。