浅浅的撅一下这个TIMER（二）：定时器发生PWM

上回我们利用定时器完成了基本的定时操作，进行了周期性的中断调用。这回我们用它来完成定时器的另一个常见操作——PWM波的发生。

本文还是以GD32E230所配的TIMER13（通用L2）为例。
（还是因为它配置最寒碜（TIMER13：为什么受伤的总是我？））

旧事重提

没错，又是这个老图。
也没错，今天我们还是只需要其中的一部分功能，因此这个图又可以砍成这样：

根据上次我们所讲的，定时器输入时钟先经过预分频，然后作为计数器的计数时钟进行计数。在最常用的向上计数模式中，每次时钟脉冲会令计数器的值增加1。一旦计数器的值达到自动重载值（溢出事件），定时器就会将计数器的值重置为0，并重新开始计数。

定时器的PWM模式运行初探

那计数器和定时器发生PWM又有什么关系呢？
不妨考虑一下，定时器处在计数运行时，溢出事件的发生是固定周期性的，也就是说溢出事件发生的频率是固定的。
那么根据“从特殊到一般、从简单到复杂”的探索思维，设想一个最简化的情况，如果我们需要发生一个1kHz的对称方波信号（即占空比为50%），那么一个方波的周期即为1ms，也即高电平和低电平各占0.5ms。换句话说，电平翻转的频率是2kHz（一个方波周期内有两次翻转）。如果我们将定时器的溢出事件周期配置为2kHz，并开启对应的溢出中断，那么该中断函数就会被以2kHz的频率调用。如果我们在该函数内翻转某个IO输出电平，则在该IO上即会发生频率为2kHz的电平翻转，也就是产生了1kHz的方波信号。
图形示意如下：（每条青色竖线代表一次溢出中断）

如果我们需要产生一个1kHz、占空比为10%的PWM方波信号呢？那么我们可以类比上面的过程（实际上是将一个波形的周期等分为2份），将一个波形的周期时间等分为10份，在第1份的时间（0.1ms）内令其为高电平，而在其余9份的时间（0.9ms）内令其为低电平：

也就是在第1份时间的开始处将IO输出电平置为高，在第2份时间的开始处将IO输出电平置为低。为了在中断内确定“当前是第几份时间开始处的中断”，我们可以另外设置一个状态变量以记录，在每次中断内+1，若超过0-9的范围即归0。
可以看出，如果我们将一个周期的时间等分的份数越多，我们就可以产生越高分辨率的PWM方波信号。PWM占空比的最小分辨率与周期（T）、周期等分数（N）显然有以下关系：
$$
Resolution_{min}( \% )=(\frac{1}{N})*100 \%
$$

$$
Resolution_{min}=(\frac{T}{N})
$$

然后呢？

上面的方式有一个缺点：定时器的中断会反复打断CPU的运行，在中断内计数、判断的过程均会占用CPU时间。并且在进行一些对时序有高要求的操作时，若关中断会造成PWM信号错误，若不关中断又会造成该操作受到影响。
能不能想想办法，解决这个问题？
答案是有办法的——通道输出比较功能。

上面我们提到了“计数量”、“周期等分份数”和“第几份时间处电平翻转”的概念。在通道输出比较功能中，其对应关系如下：

• 计数量 对应 定时器计数值
• 周期等分份数 对应 定时器自动重载值
• 第几份时间处电平翻转 对应 定时器输出比较值CHxCV

当定时器向上计数时，一旦计数值等于CHxCV的值，输出比较控制器就会产生准备信号OxCPRE的置位、清除或翻转（一般使用的PWM模式0是清除），并可以按照CHxP和CHxE的设置而控制对应输出通道的电平。
是不是像我们刚刚所说的“第几份时间处电平翻转”？
实际上，PWM模式就是输出比较功能的一个特例用法，它在定时器每个计数周期（也就是溢出事件的周期）内只发生一次计数值与CHxCV的值比较成功（即相等），并在此处采取控制电平的操作。以较常用的PWM模式0为例，其在每个计数周期开始时将OxCPRE置为有效，并在比较成功时将其置为无效。

如何根据需求计算定时器的各项参数呢？

我们采取逆向计算的思维。
首先确定所需要的PWM信号频率$f_{PWM}$和PWM分辨率点数$N$（即一共有多少级分辨率）。于是得到以下数据：
$$
f_{PSC\_CLK}=f_{PWM}*N
$$

$$
自动重载值CAR=N-1
$$
然后根据TIMER_CK的时钟频率$f_{TIMER\_CK}$计算得到一个合适的PSC值：
$$
f_{TIMER\_CK}=f_{PSC\_CLK}*(PSC+1)
$$
需要注意的是，$PSC$的取值范围是有限制的，其必须处于$[0,2^{B}-1]$的区间内（B为该定时器的PSC寄存器宽度位数，也必须是一个整数。若计算得到的$PSC$为负数，说明该定时器的时钟频率过低，无法同时满足PWM信号频率与分辨率点数要求，需要提高时钟频率，或是降低频率/分辨率点数要求；若计算得到的$PSC$为小数，可就近约取一整数，并按照应用需求适当调节PWM信号频率$f_{PWM}$或PWM分辨率点数$N$。

示例代码

以下代码整理自“GD32E23x_Firmware_Library_V1.1.4/Examples/TIMER/TIMER2_pwmout”。
示例在PB1引脚上输出频率为1kHz、占空比为11.4%的PWM方波。

#include "gd32e23x.h"

// GPIO初始化
void gpio_config(void)
{
    // 开GPIOB时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);

    // 配置PB1的输出模式，并复用为TIMER13_CH0功能（AF0）
    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_1);
    gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_1);
    gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_0, GPIO_PIN_1);
}

// 定时器初始化
void timer_config(void)
{
    // 建立配置用结构体
    timer_oc_parameter_struct timer_ocinitpara;
    timer_parameter_struct timer_initpara;

    // 开启TIMER13时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER13);
    // 清除TIMER13配置
    timer_deinit(TIMER13);
    // 初始化配置用结构体
    timer_struct_para_init(&timer_initpara);
    // 开始配置
    // 以下配置基于SYSCLK = 72MHz情况。
    timer_initpara.prescaler         = 71; // 预分频72，得到PSC_CLK=1MHz
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 999; // 自动重载计数器设为999，即每计数1000次产生一次向上溢出。1MHz计数1000次，即向上溢出事件发生的周期是1kHz，也即PWM频率
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_initpara.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER13, &timer_initpara);

    // 初始化通道输出比较配置用结构体
    timer_channel_output_struct_para_init(&timer_ocinitpara);
    // 开始配置
    timer_ocinitpara.outputstate  = TIMER_CCX_ENABLE; // 使能正相通道
    timer_ocinitpara.outputnstate = TIMER_CCXN_DISABLE; // 禁用反相通道（TIMER13它也没有反相通道）
    timer_ocinitpara.ocpolarity   = TIMER_OC_POLARITY_HIGH; // 设置正相通道高电平有效
    timer_ocinitpara.ocnpolarity  = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;
    timer_ocinitpara.ocidlestate  = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW; // 设置正相通道低电平为空闲电平
    timer_ocinitpara.ocnidlestate = TIMER_OCN_IDLE_STATE_LOW;
    timer_channel_output_config(TIMER13, TIMER_CH_0, &timer_ocinitpara);

    // 设置通道0输出比较值为114，即占空比为114/(999+1)*100%=11.4%
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER13, TIMER_CH_0, 114);
    // 设置通道0为PWM模式0
    timer_channel_output_mode_config(TIMER13, TIMER_CH_0, TIMER_OC_MODE_PWM0);
    // 禁用通道0的输出比较值影子寄存器，这样可以在运行中实时改变输出比较值，在当前计数周期就会生效
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER13, TIMER_CH_0, TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

    // 启用定时器自动重载值影子寄存器
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER13);
}

int main(void)
{
    // 初始化GPIO
    gpio_config();
    // 初始化定时器
    timer_config();
    // 启动TIMER13
    timer_enable(TIMER13);

    // 什么都不再做，主循环中死等
    while(1){;}
    return 0;
}