Timers (Polling mode / Interrupt mode)

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Timers (Polling mode / Interrupt mode)

leecrossun 2025. 3. 1. 16:00

Introduction to Timers

타이머는 마이크로컨트롤러의 주변장치 중 하나

시간 기반 생성(Timebase Generation) → 필요한 지연(Delay) 생성
신호 주파수 측정 및 파형 주기 측정
다양한 출력 파형 생성
펄스 폭(Pulse Width) 측정
PWM (Pulse Width Modulation) 신호 생성
ADC/DAC 변환 트리거 등 외부 장치 제어

타이머의 동작 원리

타이머는 기본적으로 0부터 특정한 값까지 세거나(Up Counting), 특정한 값에서 0까지 감소하는(Down Counting) 방식으로 동작

예를 들어, 타이머의 레지스터에 5라는 값을 설정하면:

0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5까지 증가
5에 도달하면 다시 0으로 롤백(Reset)
이때 업데이트 이벤트(Update Event) 발생
이 이벤트는 인터럽트(Interrupt)로 변환되어 프로세서를 중단할 수도 있음

타이머의 시간 간격 (Time Gap) 조절

클럭 주파수가 높으면 타이머가 빠르게 동작
클럭 주파수가 낮으면 타이머가 천천히 동작

Types of STM32 Timers

기본 타이머 (Basic Timers)
- 거의 모든 STM32 MCU에 포함됨
- 최소한 하나 이상의 기본 타이머가 존재
범용 타이머 (General Purpose Timers)
- 대부분의 STM32 MCU에 포함됨
- 하지만 일부 MCU에는 없을 수도 있음 → 레퍼런스 매뉴얼 확인 필요
고급 타이머 (Advanced Timers)
- 모든 STM32 MCU에 포함되지 않음
- 해당 MCU에 포함되어 있는지 레퍼런스 매뉴얼에서 확인 필요

**When we can say 16bit timers, it just means that the counter of that timer peripheral is 16bits (counts from 0 to 0Xffff)

타이머 번호와 실제 개수의 관계

예를 들어, STM32F100 MCU에는 TIM17이라는 타이머가 존재하지만,이는 이 MCU가 17개의 타이머를 갖고 있다는 의미는 아님
TIM17은 단순히 이 MCU에 포함된 특정 타이머일 뿐이며,기본 타이머, 범용 타이머, 고급 타이머 중 하나일 가능성이 있음

타이머 이름과 기능의 일관성

같은 이름의 타이머는 서로 다른 MCU에서도 동일한 기능을 가짐
- 예) STM32F446RE의 Timer1과 STM32F4411의 Timer1은
  - 동일한 기능과 동작 모드를 가짐
  - 레지스터 구조 및 설정 방법 동일
  - 즉, 한 MCU에서 작성한 타이머 코드가 다른 MCU에서도 그대로 동작 가능
단, 일부 예외적인 경우도 존재

STM32 Basic Timer Assembly

기본 타이머는 단순한 카운팅 엔진을 가짐
주로 Time Base 생성에 사용됨
입출력 채널이 없음 (I/O와 관련 없음)

카운터(Counter)
- 16비트 카운터 레지스터(TIMx_CNT) 를 사용하여 값 저장 및 증가
  - You can’t see what is going on inside “Counter” directly through code, you have to use TIMx_CNT register. When you read TIMx_CNT register it gives the snapshot of counter value.
- 타이머의 카운팅 속도는 카운트 클럭(Count Clock) 에 의해 결정됨
프리스케일러(Pre-scaler)
- 입력 클럭을 분주하여(나눠서) 카운트 클럭을 생성
- 프리스케일러 레지스터(TIMx_PSC) 를 통해 속도 조절 가능
타이머 클럭 공급
- RCC(Reset and Clock Control) 모듈이 타이머에 클럭을 공급
- RCC → 메인 타이머 클럭 → 제어 블록(Control Block) → 프리스케일러 → 카운트 클럭
자동 리로드 레지스터(Auto-reload Register, TIMx_ARR)
- 타이머의 최댓값을 설정하는 레지스터
- 카운터 값이 TIMx_ARR에 도달하면 0으로 초기화(롤백)
- 이때 업데이트 이벤트(Interrupt) 발생 가능

Timer Exercise - Polling Mode

목표: 100ms마다 인터럽트 발생 후 LED 토글(GPIO 변경)
실습을 통해 배우는 내용:
1. 기본 타이머 설정 방법
2. 원하는 시간 간격(Delay) 생성 방법
3. 타이머 인터럽트 활성화 방법
4. 타이머 IRQ(인터럽트 번호) 확인 및 핸들러 구현
5. 논리 분석기(Logic Analyzer)를 활용한 검증

타이머 핸들 변수 생성
- 모든 주변 장치는 핸들 구조체가 필요하며, TIM6의 경우 TIM_HandleTypeDef 구조체 사용
  - stm32f4xx_hal_tim.h
타이머 설정 요소
- CounterMode는 Basic Timer 에서는 변경할 수 없으며, 항상 업카운트(up-counting) 방식
- Prescaler와 Period를 설정해야 함.
  - Prescaler value is used to slow down the TIM_CLK. For example, if TIM_CLK = 50MHz and Prescaler = 1 then TIM_CNT_CLK = TIM_CLK/1+Prescaler = 25MHz
  - 프리스케일러는 타이머 클럭을 분할하는 값 을 지정. 즉, "타이머가 동작하는 클럭 속도를 조정" 하는 역할. 이를 이해하려면 타이머 클럭(Timer Clock)이 어떻게 결정되는지 알아야 함
  - 기본적으로 STM32F4의 시스템 클럭은 84MHz 로 설정되지만 현재 프로젝트에서는 시스템 클럭을 설정하는 코드를 구현하지 않았으므로, 기본적으로 16MHz (HSI - 내부 RC 오실레이터) 를 사용
  - TIM6 타이머는 APB1 버스 에 연결되어 있으며 APB1 버스의 기본 클럭 속도는 16MHz
  - Timers drive clock from APB bus via a multiplier
    - APB 페리페럴 clock은 APB 프리스케일러에서 바로 받지만 Timer는 multiplier를 거침
  - 기본적으로 TIM6 타이머 클럭은 16MHz

타이머 클록 설정
- STM32의 시스템 클록 및 타이머 클록 구조 이해.
- 기본적으로 HSI(내부 RC 오실레이터, 16MHz) 사용.
- TIM6은 APB1 버스에 연결되며, APB1 버스 클록은 기본적으로 16MHz.
- APB1 타이머 클록은 배율(multiplier)을 통해 설정됨.
프리스케일러 값이 15999 → 타이머 클럭이 (16MHz / 16000 = 1kHz) 로 설정됨
주기(Period) 값이 999 → 1초에 1,000번 카운트 → 1초마다 타이머 인터럽트 발생

프리스케일러의 역할

프리스케일러는 타이머 클럭을 나누어 카운터 클럭(counter clock)을 생성
카운터 클럭 = 타이머 클럭 ÷ (프리스케일러 값 + 1)
예시:
- 타이머 클럭이 16MHz이고, 프리스케일러 값이 0이면 카운터 클럭도 16MHz
- 프리스케일러 값을 1로 설정하면 카운터 클럭은 8MHz로
즉, 프리스케일러 값이 클수록 카운터 클럭은 느려짐

타이머의 주기(Period) 설정

Auto-Reload Register(ARR)에 주기 값을 설정
타이머는 이 값에 도달하면 다시 0으로 롤백(초기화)되며 반복 실행
주기 값이 0이면 타이머가 동작하지 않으므로, 최소 1 이상의 값을 설정

타이머 레지스터 설정

프리스케일러 값 → Prescaler Register (16비트, 0x0000~0xFFFF 범위)
주기 값 → Auto-Reload Register (16비트, 0x0000~0xFFFF 범위)
- 만약 ARR값이 0인경우 Timer 동작 X
이 값들은 STM32 Cube의 타이머 드라이버를 통해 레지스터에 저장

엑셀 시트 활용한 타이머 주기 계산

사용자가 원하는 시간 단위(ms, μs)를 입력하면, 자동으로 타이머 주기(period)가 계산
예제에서는 타이머 클럭 16MHz로 설정
Prescaler 값을 조정하여 Counter Clock을 계산:

ARR(Auto-Reload Register) 값이 16비트 범위(최대 65535)를 초과하면, Prescaler를 증가시켜야 함

계산된 ARR 값에서 1을 빼야 정확한 타이밍을 얻을 수 있음 (예: ARR = 5일 때 실제 지연 시간은 6μs → 원하는 5μs를 얻으려면 ARR = 4 설정

Timer Initialization

Init.Prescaler = 24 설정
Init.Period = 64K - 1 설정
HAL_TIM_Base_Init() 함수 호출하여 타이머 초기화

// main.c
void Timer6_Init(void)
{
	htimer6.Instance = TIM6;
	htimer6.Init.Prescaler = 24;
	htimer6.Init.Period = 64000-1;
	if(HAL_TIM_Base_Init(&htimer6) != HAL_OK) Error_handler();
}

MSP Initialization

HAL_TIM_Base_MspInit() 함수에서 TIM6 클럭 활성화 및 인터럽트 설정
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn)을 사용하여 인터럽트 활성화
HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_DAC_IRQn, 15, 0)로 최저 우선순위 설정

// msp.c
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htimer)
{
	// 1) Enable the clock for the TIM6 peripheral
	__HAL_RCC_TIM6_CLK_ENABLE();

	// 2) Enable the ERQ of TIM6
	HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);

	// 3) Setup the priority for TIM6_DAC_IRQn
	HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_DAC_IRQn, 15, 0);
}

LED Initialization

LED 초기화:
- LED는 GPIOA 포트의 5번 핀으로 연결되어 있다고 가정하고, 해당 핀을 출력 모드로 설정
- GPIO 초기화 구조체를 생성하고, 해당 핀의 모드를 "Push-Pull"로 설정
- HAL_GPIO_Init 함수를 사용해 GPIO 핀을 초기화
타이머 시작:
- 타이머는 HAL_TIM_Base_Start 함수를 호출하여 시작
- 타이머가 주기 값을 초과하면 타이머의 상태 레지스터에서 업데이트 이벤트가 발생
- **while**(!(TIM6->SR & TIM_SR_UIF));
  - 업데이트 이벤트가 발생하면 비트마스킹 값이 1이 되고 전체 조건문은 0이 되므로 루프를 빠져나오게 됨 → 즉, 이벤트 발생 시까지 루프에서 대기하는 코드

LED 토글:
- 타이머의 상태 레지스터에서 UIF(Update Interrupt Flag) 비트를 확인하고, 업데이트 이벤트가 발생하면 LED를 토글
- HAL_GPIO_TogglePin을 사용하여 GPIO 핀을 토글
주기 설정 및 테스트:
- 100ms, 10ms, 2.5ms 등 다양한 주기 값으로 테스트를 진행
- 주기 값이 정확하게 설정되었음을 확인하기 위해 로직 분석기를 사용하여 측정
주의 사항:
- 타이머는 프로세서와 독립적으로 작동하여 프로세서가 잠자기 상태에 있어도 계속 카운팅됨
- 타이머 상태 레지스터의 UIF 비트는 하드웨어가 설정하고, 소프트웨어는 이를 클리어해야 함

TIM_HandleTypeDef htimer6;

int main(void)
{
	HAL_Init();
	SystemClockConfig();
	GPIO_Init();
	Timer6_Init();

	// Start Timer
	HAL_TIM_Base_Start(&htimer6);

	while(1)
	{
		// Loop until the update event flag is set
		while(!(TIM6->SR & TIM_SR_UIF));
		// The required time delay has been elapsed, then user code can be executed
		TIM6->SR = 0;
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
	}


	while(1);
	return 0;
}
void GPIO_Init(void)
{
	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitTypeDef ledgpio;
	ledgpio.Pin = GPIO_PIN_5;
	ledgpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
	ledgpio.Pull = GPIO_NOPULL;

	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &ledgpio);
}

void Timer6_Init(void)
{
	htimer6.Instance = TIM6;
	htimer6.Init.Prescaler = 24;
	htimer6.Init.Period = 64000-1;
	if(HAL_TIM_Base_Init(&htimer6) != HAL_OK) Error_handler();
}

Timer Exercise - Interrupt Mode

Poiing mode는 프로세서가 주기적으로 상태 레지스터를 polling 하여 업데이트 이벤트를 확인해야 하므로 프로세서가 sleep 모드로 들어갈 수 없다는 단점 존재

반면, Interrupt mode는 타이머가 이벤트 발생 시에만 인터럽트를 발생시키므로 CPU가 다른 작업을 하거나 sleep 모드로 전환할 수 있음 → 저전력 애플리케이션에서 좋음

// main.c
TIM_HandleTypeDef htimer6;

int main(void)
{
	HAL_Init();
	SystemClockConfig();
	GPIO_Init();
	Timer6_Init();

	// Start Timer
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htimer6);
	
	while(1);
	return 0;
}
void GPIO_Init(void)
{
	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitTypeDef ledgpio;
	ledgpio.Pin = GPIO_PIN_5;
	ledgpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
	ledgpio.Pull = GPIO_NOPULL;

	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &ledgpio);
}

void Timer6_Init(void)
{
	htimer6.Instance = TIM6;
	htimer6.Init.Prescaler = 24;
	htimer6.Init.Period = 64000-1;
	if(HAL_TIM_Base_Init(&htimer6) != HAL_OK) Error_handler();
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
}

//it.c
extern TIM_HandleTypeDef htimer6;
void TIM6_DAC_IRQHandler(void)
{
	HAL_TIM_IRQHandler(&htimer6);
}

Output Compare Mode

인터럽트 핸들러 루틴이 3ms가 걸린다면 GPIO 토클이 인터럽트 처리 후에 실행되게 되므로, 3 마이크로초보다 짧은 시간에 토글하는 것은 불가능
즉, 3 마이크로초보다 짧은 주기의 신호는 정확하게 생성할 수 없음
소프트웨어로 GPIO를 제어하는 방식은 정확한 타이밍을 구현하기 어려움
이 문제를 해결하려면, 타이머 하드웨어를 직접 사용하는 방식(예: Output Compare Mode) 사용
- 소프트웨어 코드(~~HAL_GPIO_TogglePin~~) 없이 GPIO를 직접 토글