MSP430 定时器A.docx
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MSP430定时器A
上次Cloud和大家一起学习完了MSP430的时钟配置，这一篇，我们来学习MSP430单片机的TimerA（定时/计数器A）。
MSP430单片机的TimerA具有非常强大的功能，相关的寄存器配置也相当复杂，Cloud花了好久才逐步理清学习思路，尤其是学习数据手册的相关描述。
在这里Cloud提醒大家，虽然现在网上有中文汉化版的数据手册，但Cloud阅读英文原版后对比发现还是英文原版对器件特性描述得更加清楚，而中文汉化版的省略掉了一些内容。
好吧，扯远了。
下面进入正题：
一、MSP430的Timer结构
首先让我们通过官方描述来初步了解一下MSP430单片机的Timer资源：
定时器A是一个16位的定时/计数器。
定时器A支持多重捕获/比较，PWM输出和内部定时。
定时器还有扩展中断功能，中断可以由定时器溢出产生或由捕获/比较寄存器产生。
定时器A的特性包括：
?
?
·四种运行模式的异步16位定时/计数器
?
?
·可选择配置的时钟源
?
?
·可配置的PWM输出
?
?
·异步输入和输出锁存
?
?
·对所有TA中断快速响应的中断向量寄存器
MSP430G2553单片机共有两个TimerA，分别是Timer0A和Timer1A。
OK，零零总总说了这么多，大家一定带有很多的疑惑，比如什么叫“捕获/比较”等，这里Cloud先不作解释，会用才是王道。
我们呢先找来定时器A的结构图给大家初步了解一下定时器A的结构：
我们先从上面部分开始解释。
中间红色的是一个16位的TimerA，TAR，这其实就是MSP430单片机内部的一个定时计数器了，类似于51中的TH0和TL0的合体。
既然可以拿来计时，那么肯定可以有时钟信号输入，让我们最左边黄色的框，是一个选择器，由上面的TASSEL来选择TACLK、ACLK、SMCLK、INCLK的其中一种时钟。
上次我们已经学习过ACLK和SMCLK，也知道如何配置这两个时钟了（这也是为什么先学习时钟的原因），另外两个是外部时钟源，其中TACLK可以由P1.0输入。
跟在时钟源后面的是一个分频器，由ID来控制，将时钟源的时钟信号1、2、4、8分频后作为定时/计数器的时钟源。
TAR右边的蓝色框代表TimerA在计数模式下由MC来控制TAR的四种计数方式。
同时我们还注意到TAR的左下方有一个TACLAR连接至TAR的Clear端，显然是清零作用的，数据手册还告诉我们置位TACLAR，不但会清零TAR的计数值还会清除时钟分频信息。
TACLAR一旦置1，会自动归零，所以可以当做是TimerA的复位按钮。
再看下半部分的CCR2，CCR2是TimerA的其中一个独立的捕获/比较单元，其实在MSP430G2553中，还有CCR0和CCR1（连接上半部分和下半部分的虚线省略处），其结构和CCR2基本一致。
我们可以看到从上面TAR输出的空心粗箭头指向了TACCR2和Comparator2，TACCR2是RRC2的捕获/比较寄存器，虚线框左上角部分表示了TimerA的捕获通道，用于将CCIS所选择的信道经过所选择的捕获模式和同步操作传递给TACCR2。
虚线框下半部分表示不同的输出模式的信号输出逻辑。
二、Timer相关寄存器介绍
OK，Cloud基本为大家介绍了TimerA的结构，确实略复杂。
按照以往教程惯例，Cloud先从寄存器开始和大家一起学习（这里提醒大家，在msp430头文件中，很多不同标示符的定义其实都来自同一个对象，在MSP430G2553中，有Timer0A和Timer1A，相关的寄存器有TA0CTL、TA0CCR0、TA1CTL、TA1CCR0等，由于这两个时钟基本一样，这里就只以Timer0A为例。
Timer0A的相关寄存器可以将TA0字样省略为TA，例如TACTL=TA0CTL、TACCR0=TA0CCR0等，大家在实际使用和学习时要知道这两种表示方式都是一样的）：
1、TA0CTL：
TimerA控制寄存器
TA0CTL?
?
TimerA控制寄存器
15
14
13
12
11
10
9
8
-
-
-
-
-
-
TASSEL1
TASSEL0
7
6
5
4
3
2
1
0
ID1
ID0
MC1
MC0
-
TACLR
TAIE
TAIFG
TA0CTL（也可以写TACTL）负责设置TimerA的时钟来源、分频系数、计数模式、复位信号以及相关的中断允许和中断标志位：
·9~8-TASSEL：
用来设置TimerA的时钟来源
?
?
0：
TACLK?
?
1：
ACLK?
?
2：
SMCLK?
?
3：
INCLK
·7~6-ID：
用来设置输入时钟信号经过多少分频驱动TAR?
?
分频系数=2ID?
·5~4-MC：
用来设置TimerA的计数模式
?
?
0：
停止模式?
?
1：
增模式?
?
2：
连续模式?
?
3：
增减模式
·2：
TACLR：
TimerA清零位，该位置位会复位TAR，时钟分频和计数方向，完成后TACLR自动清零
·1：
TAIE：
TimerA中断允许位，用来允许TAIFG中断请求
?
?
0：
中断禁止1：
中断允许
·0：
TAIFG：
TimerA中断标志位?
?
0：
无中断挂起?
?
1：
有中断挂起
2、TA0R：
TimerA寄存器
TA0R?
?
TimerA寄存器
15
14
13
12
11
10
9
8
X
X
X
X
X
X
X
X
7
6
5
4
3
2
1
0
X
X
X
X
X
X
X
X
TA0R（也可以写TAR）是一个用来存放当前计数值的一个16位的寄存器，类似于51的TH0和TL0的合体。
3、TA0CCRx：
TimerA捕获比较寄存器x
TA0CCRx?
?
TimerA捕获比较寄存器x
15
14
13
12
11
10
9
8
X
X
X
X
X
X
X
X
7
6
5
4
3
2
1
0
X
X
X
X
X
X
X
X
TA0CCRx（也可以写TACCRx）是一个用来存放定时计数器捕获值的16位寄存器，在MSP430G2553中x可以是0、1、2，对应相应的TA0CCTLx。
另外TA0CCR0还可以用来设置TimerA计数模式中增模式和增减模式的峰值，详细后面将会讲。
?
4、TA0CCTLx：
TimerA捕获比较控制寄存器x
TA0CCRx?
?
TimerA比较控制寄存器x
15
14
13
12
11
10
9
8
CM1
CM0
CCIS1
CCIS0
SCS
SCCI
-
CAP
7
6
5
4
3
2
1
0
OUTMODE2
OUTMODE1
OUTMOD0
CCIE
CCI
OUT
COV
CCIFG
TA0CCTLx（也可以写TACCTLx），在MSP430G2553中x可以是0、1、2（其他型号单片机可能有更多的支持，详细看相关数据手册），对应相应的TA0CCRx，TA0CCTLx定义了很多TimerA捕获比较控制控制相关的位，让我们来一一学习：
·15~14-CM：
捕获模式控制寄存器
?
?
0：
不捕获?
?
1上升沿捕获?
?
2：
下降沿捕获?
?
3：
上升和下降沿都捕获
·13~12-CCIS：
捕获比较选择，该位选择TA0CCRx的输入信号，
·11-SCS：
同步捕获源，该位用于将捕获通信和时钟同步?
?
0：
异步捕获?
1：
同步捕获
·10-SCCI：
同步的捕获/比较输入，所选择的CCI输入信号由EQUx信号锁存，并可通过该位读取
·8-CAP：
比较/捕获模式选择?
?
0：
比较模式?
?
1：
捕获模式
·7~5-OUTMODE：
输出模式位，由于在模式2、3、6、7下EAQUx=EQU0，因此这些模式对TA0CCRx无效
?
?
0：
OUT位的值?
?
?
?
?
1：
置位?
?
?
?
?
?
?
?
2：
翻转/复位?
?
?
?
3：
置位/复位
?
?
4：
翻转?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
5：
复位?
?
?
?
?
?
?
?
6：
翻转/置位?
?
?
?
7：
复位/置位
·4-CCIE：
捕获比较中断允许位，该位允许相应的CCIFG标志请求
?
?
0：
中断禁止?
1：
中断允许
·3-CCI：
捕获比较输入，所选择的输入信号可以通过该位读取
·2-OUT：
输出状态位，对于输出模式0，该位直接接控制输出状态
?
?
0：
输出低电平?
?
1：
输出高电平
·1-COV：
捕获溢出位，该位表示一个捕获溢出发生。
COV必须由软件复位
?
?
0：
没有捕获溢出发生?
?
1：
有捕获溢出发生
·0-CCIFG：
捕获比较中断标志位?
?
0：
没有中断挂起?
?
1：
有中断挂起
三、Timer的四种计数模式
下面让我们来看一下TimerA的4种计数模式，这也是后面TimerA计数和捕获/比较的基础：
1、MC=0：
Stop（停止模式），这个模式下TimerA停止计数；
2、MC=1：
Up（增模式），在这个模式下，TimerA的TAR会自动从0开始一直计数至TA0CCR0，并不断重复计数，注意，此时的TA0CCR0比较特殊，将不作为捕获/比较的作用，和TA0CCR1、TA0CCR2起不同作用。
如果在设置增模式时TAR值比TACCR0大，那么TAR会立刻重新从0开始计数，其波形如图所示：
在增模式下，TACCR0?
CCIFG中断标志将在TAR计数至TACCR0时被置1。
TAIFG中断标志将在TAR从TACCR0跳至0时被置1，下图描述了这两个标志位的置位时序：
对于如何理解TAIFG和CCIFG何时置位问题，这里Cloud的解读是，TAIFG是在TAR归零的时候置1的，而CCIFG是在TAR计数至TA0CCR0时置1的。
另外，当TA0CCR0在TimerA运行过程中发生改变时（Timer工作在增模式下），如果新的TA0CCR0的值比当前TAR计数的值要大，则TAR继续向上计数至新的TA0CCR0，反之，TAR将立即归零；
3、MC=2：
Continuous（连续模式），在这个模式下，TimerA的TAR会自动从0开始计数至0xFFFF然后归零，并不断重复计数。
此时的TA0CCR0将和TA0CCR1、TA0CCR2一样起到捕获/比较的作用。
连续模式下的TAR计数波形如下图所示：
在连续模式下，TAIFG中断标志将在TAR从0xFFFF溢出至0的时候置1，如下图（由于这里没有专门用到TA0CCR0所以就不关心CCIFG，这里同样符合我们前面对中断标志置位问题的分析）：
官方手册还对连续模式的应用作了介绍：
连续模式可以用于产生独立的时间间隔和输出频率。
当每个时间间隔完成时就产生一个中断。
下一个时间间隔的值在进入中断服务子程序时写入TA0CCRx。
下图显示了2个独立的而时间间隔t0和t1写入捕获/比较寄存器。
在该应用中，时间间隔由硬件而不是软件控制，与中断响应没有冲突：
这里，稍微解释一下上面的图，锯齿波是TAR产生的，从0增至0xFFFF单调循环。
TACCR0a和TACCR1a分别是两个捕获/比较寄存器的值（初始值），为了产生t0和t1两个时间间隔，我们可以让中断响应我们的CCIFGx中断响应（因为CCIFGx是和TA0CCRx相关联的）。
这里例子的做法是在每次由于CCIFGx中断响应的时候，相应的将TACCRx加上tx（比如TACCR0a?
+?
t0得到TACCR0b），然后TAR继续计数（不管是否退出中断），然后计数到下一个周期的时候自然又产生的TA0CCRx的CCIFGx中断，由此我们得到了连续时间间隔；
4、MC=3：
Up/Down（增减模式），在这个模式下，TimerA的TAR会自动从0开始计数至TA0CCR0然后从TA0CCR0-1自动减至0，并不断重复计数（可以看出，此时TA0CCR0又作为了周期寄存器来使用而不是捕获/比较寄存器）。
其周期是TA0CCR0值的2倍。
下面的图描述了这一过程：
该模式下，计数方向是固定的，即让定时器停止后再重新启动定时器，它就沿着停止时的计数方向和数值开始计数。
如果不希望这样，可以将TA0CLR置位来清除方向（同时也会清除TAR的值和定时器的时钟分频）。
在增减模式，在TA0CCR0中，CCIFG中断标志和TAIFG中断标志在一个周期中只能置位一次，由1/2定时器周期隔开。
当定时器计数到由TA0CCR0—1变到TA0CCR0时，CCIFG置位；而定时器完成减计数从0x0001到0x0000时，TAIFG置位（依然和我们前面的分析一致），下图描述了这个过程：
当定时器运行时，改变TA0CCR0的值，如果正处于减计数的情况，定时器会继续减到0，新的周期在减到0后开始。
如果正处于增计数状态，新周期大于等于原来的二周期，或比当前计数值要大，定时器会增计数到新的周期。
反之，定时器立刻开始减计数，但是，在定时器开始减计数之前会多计一个数。
同样的，官方数据手册也给出了一个增减模式的使用例子：
增减模式支持在输出信号之间有死时间的应用。
例如，避免出现过载情况，2个输出驱动一个H桥不能同时为高电平。
下图显示了这个过程：
这里的Output?
Mode?
6、2在后面将会讲到其输出波形特性，现在大家只要知道这些波形都是可以通过我们的IO口输出来的（想起IO那篇IO具有第二功能的特性了么？
）。
其中Tdead?
=?
ttimer?
*?
（TACCR1?
-?
TACCR2）
Tdead—同时输出时必须没有反应的时间段
Ttimer—定时器时钟周期
TACCRx—捕获比较寄存器x的内容
TACCRx寄存器并不是缓冲，写入时立即更新，因此，任何所要求的死去时间不会自动保留。
由于上面的例子使用了TimerA的比较捕获模块，这里我们还没有讲到，大家如果暂时理解不了这个例子可以跳过它继续往后面学习，等到学习完比较捕获模块再回过头来看这个例子。
五、Timer的捕获比较/模块
前面我们已经讲完了定时器的4种计数模式以及每种技术模式中TAR的计数特点和相关中断标志位的置位时序，另外还初步学习了相关的应用。
下面我们来一起学习下一个重要内容，捕获/比较模块：
TimerA中有3个相同的捕获比较模块TA0CCRx，其中的任何一个模块可以用于定时器数据的捕获或时间间隔。
①捕获模块：
（以下内容可以配合定时器内部结构图来学习分析）
当CAP=1时，选择捕获模式。
捕获模式用于记录时间事件，比如速度估计或时间测量。
捕获输入CCIXA和CCIXB连接外部的引脚或内部的信号，这通过CCIS来选择。
CM选择捕获输入信号触发沿：
上升沿、下降沿或者两者都捕获。
捕获事件发生于所选择的的输入信号的触发沿。
如果发生了捕获事件：
·定时器TAR的值复制到TA0CCRx寄存器中
·中断标志位CCIFG置位
内部信号可以在任一时间通过CCI位来读取捕获信号可能会和定时器时钟不同步，并导致竞争条件（这是数电用语）的发生。
将SCS置1可以在下个定时器时钟使捕获同步，下图描述了这个过程：
如果一个第二次捕获动作在第一次捕获的值被读取之前发生，捕获比较寄存器就会产生一个溢出逻辑，COV此时将置1，COV必须由软件清除，下图描述了捕获循环：
通过软件初始化捕获
捕获可以由软件初始化。
CM可以配置捕获的触发沿。
CCIS1=1和CCIS0可以捕获电压在Vcc和GND之间的信号。
②比较模块：
（以下内容可以配合定时器内部结构图来学习分析）
CAP=0时选择比较模式。
比较模式用于选择PWM输出信号或在特定的时间间隔中断。
当TAR计数到TACCRx的值时：
·中断标志CCIFG置位
·内部信号EQUx=1
·EQUx根据输出模式来影响输出信号
·输入信号CCI锁存到SCCI
每个捕获比较模块（分别用各自的TA0CCRx来配置）包含一个输出单元。
输出单元用于产生如PWM这样的信号。
每个输出单元可以根据EQU0和EQUx产生8中模式的信号。
输出模式：
输出模式由OUTMOD来确定，如下表。
对于所有模式来说（模式0除外），OUTx信号随着定时器时钟的上升沿而改变。
输出模式2、3、6、7对输出单元0无效，因为在这些模式下，EQUx=EQU0：
OUTMODx
模式
说明
二进制
十进制
000
0
输出
输出信号OUTx由OUTx位定义。
当OUTx位更新时，OUTx信号立刻更新
001
1
置位
当计时器计数到TA0CCRx值时，输出置位，并保持置位直到定时器复位或选择了另一个输出模式
010
2
翻转/复位
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出翻转。
当定时器计数到TA0CCR0值时，输出复位
011
3
置位/复位
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出置位。
当定时器计数到TA0CCR0值时，输出复位
100
4
翻转
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出翻转。
输出信号的周期是定时器的2倍
101
5
复位
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出复位，并保持复位直到选择了另一个输出模式
110
6
翻转/置位
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出翻转。
当定时器计数到TA0CCR0值时，输出置位
111
7
复位/置位
当定时器计数到TA0CCRx值时，输出复位。
当定时器计数到TA0CCR0值时，输出置位
看了上面的表，是不是有些云里雾里的赶脚？
没事，下面，我们将以定时器计数的三种模式（这里因为停止模式没有意义所以不举例）下看一下OUTMOD不同而导致输出不同的输出波形（以使用TA0CCR0和TA0CCR1为例）：
1、增模式下：
大家可以看到，上面的时序图中有两种线，一种虚线，一种实线，分别来表示输出在不同初始状态下的时序变化。
有些时序前面有虚线后面没有了说明后面的实线和虚线重合了。
下面图也都是类似的，后面就不再赘述。
2、连续模式下：
3、增减模式下：
如果你要在不同输出模式之间进行切换，OUTMODx的第一个位必须在过渡时保持置位（切换至模式0除外），否则会由于或非门解码输出模式0而导致出现脉冲干扰。
输出模式切换之间的安全切换的方法之一是用输出模式7作为过渡状态。
六、Timer的中断
终于要说到中断了，16位Timer0A有两个中断向量：
①TA0CCR0?
CCIFG的TACCR0中断向量
②所有其他CCIFG和TAIFG的TAIV中断向量
在捕获模式下，当一个定时器的值捕获到相应的TACCRx寄存器时，CCIFG标志置位。
在比较模式下，如果TAR计数到相应的TACCRx值时，CCIFG标志置位。
软件可以清除或置位任何一个CCIFG标志。
当相应的CCIE和GIE置位时，CCIFG标志就会产生一个中断。
TACCR0中断：
TACCR0?
CCIFG标志拥有定时器A的最高中断优先级，并有一个专用的中断向量，如图所示。
当进入TACCR0中断后，TACCR0?
CCIFG标志自动复位。
TAIV，中断向量发生器：
TACCR1的CCIFG、TACCR2的CCIFG和TAIFG标志共用一个中断向量。
中断向量寄存器TAIV用于确定他们中的那个要求响应中断。
最高优先级的中断在TAIV寄存器中产生一个数字，这个数字是规定的数字，可以在程序中识别并自动进入相应的子程序。
定时器A中断不会影响TAIV的值。
对TAIV的读写会自动复位最高优先级的挂起中断标志。
如果另一个中断标志置位，该中断将在结束原先的中断响应后立即发生。
例如，当中断服务子程序访问TAIV时，如果TACCR1和TACCR2的CCIFG标志置位，TACCR1的CCIFG自动复位。
在中断服务子程序的RETI命令执行后，TACCR2的CCIFG标志会产生另一次中断。
在实际使用中，如果是TAIV中断中断向量，我们需要在中断服务函数中用选择分支语句对中断进行分别处理。
下表表示了TAIV的详细中断源：
TAIV值
中断源
中断标志
中断优先级
0x00
无中断
-
0x02
捕获/比较1
TACCR1?
CCIFG
最高
0x04
捕获/比较2
TACCR2?
CCIFG
0x06
-
-
0x08
-
-
0x0A
定时器溢出
TAIFG
0x0C
-
-
0x0E
-
-
最低
七、编程实例
经过上面的理论学习，我们基本上掌握了TimerA的所有的知识点，现在我们开始在IAR中进行实际编程。
1、编写一个最基本的定时器定时溢出中断的程序：
这是我们写的第一个定时器相关的程序，我们需要让定时器隔一段时间就产生一次溢出中断，这和我们学习51单片机时的定时器工作方式差不多。
我们假设500ms定时一次，同时让P1口的电平翻转一次（也就是1秒为周期）。
让我们配置一下TA0CTL寄存器。
首先分析一下应该让定时器工作在什么模式下。
我们已经知道定时器计数模式可以是增模式、连续模式、增减模式。
这里，我们可以使用增模式，因为在增模式下，我们可以通过控制TA0CCR0的值来直接控制我们定时器的定时时间。
所以我们配置MC=1。
然后我们选择一下定时器的时钟源，由TASSEL决定。
我们这里可以直接使用SMCLK，即TASSEL=2。
SMCLK由DCO产生，所以我们还要配置DCO的时钟频率。
当然，配置时钟的问题我们已经在上一篇中详细介绍了，这里就不再赘述。
我们还可以对输出的时钟信号进行分频，由ID控制。
我们可以进行8分频即ID=3。
我们这里用到Timer0A的溢出归零中断，所以需要开启TA0IFG中断，则使TAIE=1。
另外我们要让TACLR=1，这样可以在配置完成定时器时同时将Timer0A复位，TAR清零。
然后我们配置TA0CCR0寄存器，通过控制它来控制定时时长。
定时器定时时长为TA0CCR0个定时器A的时钟周期，由此我们可以计算：
TA0CCR0=500ms÷（1÷（1MHz÷8））=62500=0xF424
另外我们还要开启总中断：
__enable_interrupt（）;?
?
?
//注意前面是两个下划线
网上对开启总中断往往使用的是：
_EINT（）;
但其实_EINT（）调用了__enable_interrupt（），由于我们所包含的头文件为“io430.h”，它会根据编译器自动包含“io430g2553.h”这个头文件，而在这个文件里面没有对_EINT（）进行定义，所以不能使用_EINT（）。
如果想要使用_EINT（）可以将“io430.h”改为“msp430g2553.h”。
然后我们学习一下MSP430单片机在IAR集成开发环境中书写中断的方法：
#pragma?
vector?
=?
【中断向量】
__interrupt?
void?
【中断服务函数名】（void）
{
?
?
TA0CTL?
&=?
~TAIFG;?
?
?
//清空TAIFG中断标志
?
?
//在这里书写中断服务函数代码
}
上面的函数体是一个模板，【中断向量】表示中断服务函数的中断来源，可以参照数据手册或者io430g2553.h头文件中“*?
Interrupt?
Vectors?
（offset?
from?
0xFFE0）”的定义如下：
/************************************************************
*?
Interrupt?
Vectors?
（offset?
from?
0xFFE0）
************************************************************/
#define?
PORT1_VECTOR?
?
?
?
?
?
?
?
（2?
*?
2u）?
?
/*?
0xFFE4?
Port?
1?
*/
#define?
PORT2_VECTOR?
?
?
?
?
?
?
?
（3?
*?
2u）?
?
/
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