详解：单片机定时器初值的多种计算方式

鸣涧

详解：单片机定时器初值的多种计算方式


今天，我们细说一下定时器/计数器的初值的计算。
在讲定时器/计数器之前，首先我们需要了解一下单片机的时钟周期、机器周期、指令周期等这几个周期的区别和其中的关系。

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机器周期

在传统的51单片机中，一般情况下，1个机器周期=12个时钟周期。在一个单片机最小系统中，如果外接的是12MHZ的晶振，那么机器周期=1微秒。单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。
机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。

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12M晶振定时器初值计算

有了以上的概念以后，就可以正确的理解定时器的工作原理了。在传统的51单片机中，通常有个定时器是16位自动重载的模式，我们就以这个工作模式举例。16位的定时器/计数器最大的计数值是65535，当再加1时(=65536)，就会发生溢出，产生中断，程序就会自动跳转到定时器/计数器中断函数中去执行中断程序。
前面我们说过，如果单片机最小系统外接的晶振是12M的，那定时计数器加1需要的时间是1us，假如我们需要定时1ms，也就是需要定时计数器加的数值是1000（1000us=1ms），那么初值就是（65536-1000），再把这个值分离出高八位和第八位分别送给TH和TL两个寄存器，这样定时器初值就设置完成了。
前面介绍的定时器初值计算方法采用的晶振是12M，比较好算，如果是其它的晶振频率，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每个计数是2us，那么你要定时1ms就只要计数500个即可以；24M的晶振，就是12/24=0.5，每个计数周期是0.5us，需要定时1ms就需要计数2000。

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通用晶振频率定时器初值计算

在更多的使用场景下，我们用的晶振频率不一定是12的倍数。这种情况下，再用上面的计算方法显然是不好计算初值的。那么又该怎么计算初值呢？

为了解决这个问题，我们来想一件事情，那就是24M的晶振，它实际就是在1s时间内产生了24000000个脉冲信号（时钟周期），传统51单片机需要12个脉冲信号才能完成一次寄存器的读写，定时器的计数加1也是需要相同的时间（12个脉冲信号），也就是机器周期。

这样一来，是不是可以得到1s内定时器可以计数的次数是（24000000/12）个；1ms内定时器可以计数的次数是（24000000/12/1000）次；1us内定时器可以计数的次数是（24000000/12/1000/1000）次。

大家注意观察，以上算式中的24000000其实就是24M晶振1s内产生的脉冲次数，其实就是当前晶振频率下的周期数。这样一来如果希望定时1ms的时间，初值就是计数最大值65536减去定时器1ms时间内可以计数的次数（24000000/12/1000），初值=65536-（24000000/12/1000）=65536-2000。

大家会发现，计算出来的结果和传统方法计算的结果是相同的，再一次验证了这种计算方法的正确性。

那么，推导出通用晶振频率下1ms定时的初值计算公式可以写成：初值=65536-（FOSC/12/1000），其中FOSC是晶振频率对应的周期数。

这样一来，就不用再考虑频率是否是12的倍数关系了。但需要注意的是，以上计算方式需要定时器工作在16位模式，计算得到的结果是一个16位的数，需要分离出高八位和第八位分别赋值给TH和TL和寄存器。

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STC单片机的1T/12T模式

说到这里，大家应该对定时器初值的计算没有问题了，那么我们来看一下STC官方给出的定时器的示例程序。

大家会发现，STC官方例程采用的就是我们上面推到的方法，在上面的例程中，用的晶振频率是18.432M，如果按照传统方式去计算初值将会很难计算。
通过前面的推到公式，结合STC官方例程，自然就能理解STC官方说的定时器工作在1T模式和12T模式了。也就是在1T模式下，定时器将会更快，一个时钟周期就是一个机器周期，而在12T模式下，就和传统51单片机一样，12个时钟周期才是一个机器周期。
通常情况下，定时器的中断频率不能太快，太快会打乱正常程序的运行节奏，程序效率会降低，所以在更多的使用场景下，小代还是喜欢把定时器设置为12T模式下工作。但是，在1T模式下可以实现定时的时间更加精确，在12M晶振频率下，又把1us，做了12次的细分。实际应用时还是看各位小伙伴的习惯和具体的运用场景。

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为什么是定时/计数器

细心的小伙伴肯定会发现一个问题，几乎在所有的单片机教程或资料中，说到定时器，肯定是会写成定时器/计数器，大家都常常叫做定时计数器，那到底是定时器呢，还是计数器呢，还是就是定时计数器呢？
标准的叫法，其实应该是计数器。定时计数器其实质就是一个自动向上累加的一个累加器，通过累加器实现记录次数的功能，只是说在定时器模式下，记录的每次累加的次数的时间是固定的，比如前面我们计算的，12M晶振下，每累加1次，时间是1us；在计数模式下，记录的累加次数之间的时间间隔是不定的，累加次数的信号通常情况下是外部的脉冲信号。
每次一次累加的时间间隔固定，那通过累加次数程序固定的间隔时间，就是定时的时间，每一次累加的时间间隔不定，不等常，那自然只能得到累加的次数。这就是定时器和计数器的实际工作原理。所以说，准确的表示应该叫计数器，因为它只能实现计数的功能。





说了那么多，再来看STC公布的这个定时器/计数器的结构图就很清楚了。
当C/T=0时，多路开关连接到系统时钟上，系统时钟通过分频（1T或12T）连接到定时器/计数器的累加器上，定时器/计数器对系统时钟进行计数，因为系统时钟频率是固定的，通过记录次数可以计算得到时间，所以此时定时器/计数器工作在定时模式，是定时器。
当C/T=1是，多路开关连接到外部脉冲输入引脚上，此时引脚上的脉冲信号的周期不定，所以没办法通过记录次数计算得到时间，此时定时器/计数器工作在计数模式，是计数器。

来源：单片机技术宅