【BUG】滴答定时器的时间片轮询与延时冲突

SysTick定时器实现延时与时间戳的深度分析与问题解决指南

1. SysTick基础原理

1.1 SysTick的功能与核心配置

SysTick是ARM Cortex-M内核的系统定时器，常用于以下场景：

• 时间戳：通过周期性中断记录系统运行时间（如tick_ms计数器）。
• 延时：基于轮询或中断模式实现精确的微秒/毫秒级延时。
• 关键寄存器：

  寄存器	功能描述	示例配置
  CTRL	控制使能、中断、时钟源选择	0x0007（启用+中断+HCLK）
  LOAD	设置重装载值（决定中断周期）	SystemCoreClock/1000-1
  VAL	当前计数值（可写0重置）	0x00000000

1.2 SysTick的典型初始化

// 1ms中断配置（假设系统时钟48MHz）
void SysTick_Init(void) {
    SysTick->LOAD = 48000 - 1;     // 48MHz/1000 = 48000 ticks/ms
    SysTick->VAL = 0;              // 清空计数值
    SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | 
                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | 
                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  // 开启中断+启用
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 15);      // 最低优先级
}

1.3 实现时间戳

// 全局变量声明（必须加volatile！）
volatile uint32_t tick_ms = 0;

void SysTick_Handler(void) {
    tick_ms++;  // 每次中断递增
}

// 获取当前时间戳（毫秒）
uint32_t Get_Tick(void) {
    return tick_ms;
}

// 初始化SysTick为1ms中断
void SysTick_Init(void) {
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);  // 1ms触发一次中断
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 15);      // 最低优先级
}

1.4 实现延时函数

// 微秒级延时（轮询模式，无中断）
void delay_us(uint32_t us) {
    SysTick->LOAD = 48 * us;        // 48MHz下48 ticks/μs
    SysTick->VAL = 0;               // 清空计数器
    SysTick->CTRL |= 0x05;          // 启用定时器（HCLK + 无中断）
    while (!(SysTick->CTRL & 0x10000));  // 等待计数完成
    SysTick->CTRL = 0;              // 关闭定时器
}

2. 时间戳与延时混用的冲突机制

2.1 问题本质

当 延时函数直接操作SysTick寄存器（如修改LOAD、VAL、CTRL）时，会破坏SysTick的原有中断配置，导致：

1. 时间戳停滞：中断周期被篡改或中断被禁用，tick_ms计数器无法更新。
2. 标志位失效：依赖tick_ms的time_1ms_flag/time_1s_flag无法触发。
3. 优先级冲突：如果在延时期间关闭中断，时间戳更新完全被冻结。

2.2 关于“延时导致SysTick中断关闭”的解释

核心结论：
无论是短延时（如500µs）还是长延时（如2s），只要调用您原始的delay_us()函数，SysTick中断都会被永久关闭。这不仅限于长延时，而是所有调用此函数的情况都会触发该问题。以下是详细分析：

1. delay_us函数的致命错误

您的原始delay_us函数存在一个关键错误：

// 原delay_us函数末尾：
SysTick->CTRL = 0x00000004;  // 关闭定时器，关闭中断！

此操作将SysTick控制寄存器（CTRL）的TICKINT位设为0（禁止中断），导致中断被永久关闭。

2. 短延时的典型破坏流程

假设调用一次delay_us(500) (500微秒)，步骤如下：

1. 原始SysTick配置：

   • LOAD = 48,000（1ms周期）
   • CTRL = 0x0007（启用定时器 + 使能中断）

2. 进入delay_us(500)时：

   SysTick->LOAD = 48 * 500;   // 24,000（500μs周期）
   SysTick->VAL = 0;
   SysTick->CTRL = 0x00000005; // 开启定时器 **但禁用中断**
   

3. 延时结束时：

   SysTick->CTRL = 0x00000004; // 关闭定时器 + 保持中断禁用
   

   此时：

   • 中断被禁用（TICKINT位为0）。
   • 定时器停止计数（ENABLE位为0）。

4. 后果：

   • SysTick中断不再触发，tick_ms停止递增。
   • 所有依赖时间戳的应用逻辑（如time_1s_flag）失效。

3. “短延时”不等于“无害”

误区澄清：短延时（如500µs）的破坏效果与延时长度无关，而是因函数末尾的CTRL = 0x04导致中断被禁用！

4. 长延时只是多次触发同一问题

当调用delay_ms(2000)（由2000次delay_us(1000)组成）时：

1. 每次调用delay_us(1000)后CTRL都被设为0x04。
2. 最终结果仍然是：最后一次延时结束时，SysTick中断保持关闭。

3. 详细Bug实例分析

3.1 Bug复现代码

// main_control函数片段
void main_control(void) {
    if (time_1s_flag) {          // 依赖SysTick中断触发
        time_1s_flag = 0;
        send();        // 调用含长延时的函数
    }
}

// 发送SOS信号的函数
void send() {
    transmit_data("SOS"); 
    delay_ms(2000);              // 阻塞式延时
}

3.2 运行流程与故障机理

1. 初始状态：

   • SysTick每1ms触发中断，递增tick_ms，每秒置位time_1s_flag。

2. 第一次触发time_1s_flag：

   • main_control进入并调用send()。
   • send()调用delay_ms(2000)。

3. 执行delay_ms(2000)期间：

   • 每次调用delay_us(1000)会覆盖LOAD和CTRL：

     SysTick->CTRL = 0x05;   // 启用计数器，关闭中断
     // ...等待完成...
     SysTick->CTRL = 0x04;   // 关闭计数器，保持中断禁用
     

   • 关键破坏点：最后一次delay_us结束时，SysTick的CTRL为0x04（中断被禁用）。

4. 延时结束后：

   • SysTick中断无法恢复（TICKINT位为0），tick_ms停止更新。
   • time_1s_flag永远不会再次触发，程序停留在main_control中无法处理其他任务。

4. 解决方案及代码实现

4.1 方案1：使用独立定时器实现延时

Step1：配置TIM2作为专用延时定时器

// TIM2初始化（1MHz时钟）
void TIM2_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;    // 开启TIM2时钟
    TIM2->PSC = 48 - 1;                    // 48MHz → 1MHz
    TIM2->ARR = 0xFFFF;                    // 自动重载值
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;              // 启动TIM2
}

Step2：重新实现延时函数（依赖TIM2）

void delay_us(uint32_t us) {
    TIM2->CNT = 0;                        // 复位计数
    while (TIM2->CNT < us) {}             // 轮询模式
}

void delay_ms(uint32_t ms) {
    delay_us(ms * 1000);
}

优点：

• SysTick专用于时间戳，TIM2处理延时，零冲突。
• 全流程无需操作SysTick寄存器，稳定性高。

4.2 方案2：安全共享SysTick（需严格上下文保存）

修改后的延时函数

void delay_us(uint32_t us) {
    uint32_t origLOAD = SysTick->LOAD;
    uint32_t origVAL = SysTick->VAL;
    uint32_t origCTRL = SysTick->CTRL;

    // 禁用中断，设为轮询模式
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;
    SysTick->LOAD = 48 * us;               // 1us = 48 ticks @48MHz
    SysTick->VAL = 0;
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

    // 等待完成（通过COUNFLAG而非VAL判断）
    while (!(SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk));

    // 恢复原始配置（确保中断重新启用）
    SysTick->CTRL = origCTRL;       
    SysTick->LOAD = origLOAD;
    SysTick->VAL = origVAL;
}

关键点分析：

• 寄存器保存与恢复：确保每次延时结束后，SysTick的中断上下文完全恢复。
• COUNFLAG使用：直接查询标志位，避免VAL的中间值干扰。

4.3 方案3：非阻塞延时设计（消除主循环阻塞）

重构send为状态机

void send(void) {
    static uint32_t start_time = 0;
    static enum { IDLE, WAITING } state = IDLE;

    switch (state) {
    case IDLE:
        transmit_data(); 
        start_time = Get_Tick();
        state = WAITING;
        break;
    case WAITING:
        if (Get_Tick() - start_time >= 2000) {  // 非阻塞检查2秒
            state = IDLE;
        }
        break;
    }
}

优势：

• delay_ms()被移除，主循环始终保持响应。
• 即使时间戳被意外冻结，程序逻辑也不会完全卡死（但仍需处理时钟异常）。

5. 验证调试流程

5.1 SysTick中断状态检查

1. 断点调试：

   • 在SysTick_Handler设置断点，确保每次SysTick中断触发。
   • 检查调用delay_us后，中断是否依然能触发。

2. 寄存器监视：

   • 观察SysTick->CTRL的TICKINT位是否始终为1。
   • 确认LOAD和VAL在延时结束后恢复原值。

5.2 标志位行为验证

1. 逻辑分析仪测试：

   • 监控time_1ms_flag和tick_ms在延时期间的时序。

2. 代码埋点：

void SysTick_Handler(void) {
    tick_ms++;
    static uint32_t last_tick = 0;
    if (tick_ms - last_tick >= 1000) {
        time_1s_flag = 1;
        last_tick = tick_ms;
    }
    // ...其他逻辑...
}

• 添加调试变量last_tick，确认每秒触发一次。

6. 总结：核心设计原则

终极建议：在资源允许的情况下，优先采用 独立定时器方案（如TIM2+TIM3组合），从根本上消除硬件冲突风险，确保系统实时性和稳定性。