基于 STM32 定时器的多任务调度与 PWM 呼吸灯实现

前言

LED 闪烁是 STM32 嵌入式开发最基础的实验案例，是单片机入门的典型程序。本实验在基础点灯实验之上，基于定时器、PWM 与外部中断技术，实现呼吸灯效果。同时对比阻塞式延时的缺陷，采用定时器中断构建事件驱动的裸机多任务框架。
本文实验基于 STM32F103 芯片，不使用实时操作系统，利用片内定时器外设，完成定时器多任务调度与双路 PWM 呼吸灯功能，验证事件驱动程序架构的优势。

1. 为什么 HAL_Delay 是**“伪并发”**？

参考如下典型阻塞式延时代码：

程序表面能够实现 LED 闪烁功能，但HAL_Delay属于阻塞式忙等待。程序执行到该函数时，CPU 持续循环等待，无法处理其他任务。如果后续增加别的周期性任务，任务会串行执行，相互耦合，无法实现真正的并发运行。

HAL_Delay底层原理源码：

HAL_GetTick()读取 SysTick 中断每 1ms 更新的软件毫秒计数器，HAL_Delay依靠该计数器做轮询判断，属于忙等待机制。该方式逻辑简单，适合单任务简易程序；但多任务场景下会占用大量 CPU 资源，降低系统实时性，不适合对时序要求较高的嵌入式项目。

2. 真正的 “并发”：事件驱动 + 硬件定时器

单核单片机无法实现物理层面并行执行，但可以通过事件驱动实现宏观并发。
核心思想：CPU 正常运行主业务逻辑，当定时器计时到达设定时间后，硬件产生中断信号，唤醒 CPU 执行对应的定时任务。
STM32 通用定时器（TIM6、TIM7 等）可作为硬件定时单元实现该功能。

2.1 什么是定时器

定时器是单片机内部集成，可以通过编程控制。单片机的定时功能是通过计数来实现的，当单片机每一个机器周期产生一个脉冲时，计数器就加一。定时器的主要功能是用来计时，时间到达之后可以产生中断，提醒计时时间到，然后可以在中断函数中去执行功能。比如我们想让一个led灯1秒钟翻转一次，就可以使用定时器配置为1秒钟触发中断，然后在中断函数中执行led翻转的程序。

2.2 STM32 定时器

中等容量的STM32F103C8T6一共有7个定时器，包括1个高级控制定时器、3个通用定时器、2个看门狗定时器和Systick定时器。

2.3 高级定时器

高级定时器支持输入捕获、输出比较、PWM 波形生成，可输出带死区时间的互补 PWM 信号。依靠预分频器与 RCC 时钟，能够灵活调整脉冲宽度与波形周期。
高级控制定时器 (TIM1 和 TIM8) 与通用定时器相互独立，硬件资源不共享。
高级定时器特性：TIM1 可作为 6 通道三相 PWM 发生器，支持可编程死区互补 PWM；4 个独立通道支持输入捕获、输出比较、边沿 / 中心对齐 PWM、单脉冲模式。调试模式下可冻结计数器，关闭 PWM 输出，保护后端功率器件。
高级定时器与通用定时器架构相近，支持定时器联动，能够和通用定时器同步触发、链式事件响应。

2.4 通用定时器

通用定时器TIM2、TIM3和TIM4是4通道独立定时器，支持输入捕获和输出比较，可以产生PWM信号控制电机和电源管理。

通用定时器主要特性：
STM32F103 高性能系列内置多个通用定时器，为 16 位递增 / 递减计数器，搭配 16 位预分频器，每个定时器包含 4 个独立通道，支持输入捕获、输出比较、PWM 生成与单脉冲输出。
通用定时器可配合高级定时器完成同步触发，调试模式支持计数器冻结；可生成 PWM 波形，支持 DMA 请求；可采集正交编码器、霍尔传感器信号。

2.5 定时器基本参数

预分频
预分频器将定时器时钟TIMER_CK进行分频，分频后时钟PSC_CLK驱动计数器计数。分频系数由寄存器TIMERx_PSC配置，寄存器带缓冲，参数更新将在下一次更新事件生效。
分频公式：

PSC_CLK = TIMER_CK/ (TIMERx_PSC +1)

向上计数模式
计数器从 0 开始累加计数，到达自动重装载寄存器 ARR 设定值后溢出清零，同时产生更新事件。

更新事件
计数器上溢 / 下溢时触发更新事件，可触发 DMA 请求，在新计数周期开始时更新定时器参数，适用于实时控制场景。

2.6 定时器如何工作

1. 配置定时器时钟源（本实验使用 72MHz 系统时钟）；
2. 设置预分频器 PSC 与自动重装载值 ARR；
3. 启动定时器，硬件独立完成计数；
4. 计数溢出后，自动产生定时器更新中断；
5. CPU 响应中断，执行预设的中断回调函数。
   整个计数过程由硬件独立完成，不需要 CPU 持续参与，直到中断事件触发。

3. 动手实现：独立定时器，周期性 LED 翻转任务

3.1 硬件资源规划

表格

3.2 CubeMX 配置（关键参数）

基础工程配置参考相关文档，本节不再赘述。
开启时钟

从上图可以看到定时器的时钟来源主要分为两部分，第一部分来源于APB1，第二部分来源于APB2。APB1最大36MHz，APB2最大72MHz。
这里使用TIMER3和TIMER2，就要先使能其时钟，又因为TIMER3和TIMER2时钟来源于APB1，APB1的时钟在system_stm32f10x.c中定义。

对于APB1时钟来说，APB1是AHB总线的2分频率也就是 72 / 2 = 36，定时器时钟拥有一个x2的倍频会将当前总线APB1频率x2，将x2后的时钟频率作为挂载在APB1总线上定时器的时钟频率。

故综上所示，TIM2和TIM3的时钟是72MHz。

2.选取时钟源

3.配置定时器基本参数（以2s为例）

4.使能定时中断

3.3 代码架构 ：中断回调 + 标志位

在主函数中开启 TIM3 定时中断：

定义全局标志变量以及定时器中断回调函数：

变量添加volatile修饰：该变量在中断服务函数内修改、主循环读取。不加 volatile，编译器会进行优化，导致主循环无法读取到标志位更新。

主循环检测标志位，执行对应的任务逻辑：

3.4 效果展示

LED 每 2s 完成一次电平翻转；定时任务不受主循环任务影响，时序稳定。

4. 深入原理：为什么这个方案更优？

4.1 时间精度高

定时器依靠硬件系统时钟计时，误差仅由外部晶振稳定性决定；任务时序不受主循环负载影响，抖动小。

4.2 CPU 利用率高

计数过程由硬件完成，CPU 空闲时可执行其他业务逻辑，也可进入低功耗模式降低功耗。

4.3 任务解耦，易于扩展

新增定时任务，可新增定时器，或者利用同一个定时器采用取余方式实现多周期计时；修改定时周期，仅调整 ARR 参数，无需大量修改主程序逻辑。

5. 小总结：从 “忙等陷阱” 到 “事件驱动” 的嵌入式时间管理

嵌入式开发中，时序是重要的系统资源。HAL_Delay虽然使用简单，但会阻塞 CPU 执行，多任务场景下只能实现伪并发。
采用 STM32 硬件定时器 + 中断机制，能够搭建事件驱动的程序架构，具备以下优势：

1. 时序精度高，基于 72MHz 硬件时钟，定时可控；
2. 任务解耦，各个周期性任务独立运行，互不干扰；
3. CPU 资源利用率高，主循环仅在事件触发时处理任务，可拓展性强。
   该编程思想的核心转变：从主动轮询判断时间，改为等待硬件事件触发任务。单核单片机也可以实现多周期任务调度。

(二) 用 STM32 的 TIM3 和 TIM4 实现双路呼吸灯：PWM 的艺术，从 “亮灭” 到 “渐变”

上一节介绍了定时器中断实现多任务调度，摆脱阻塞延时带来的限制。本节在此基础上，实现呼吸灯效果。呼吸灯可以实现 LED 亮度平滑渐变，核心原理是 PWM 脉宽调制。
本实验使用 STM32 的 TIM3、TIM4 通用定时器，输出两路独立 PWM 信号，驱动两个 LED 实现同步渐变呼吸效果。

1. 呼吸灯的本质：PWM + 动态占空比

LED 只有高低电平两种状态，只能实现点亮与熄灭。利用人眼视觉暂留效应，快速切换 LED 的亮灭状态，就可以模拟出中间亮度。这就是 PWM（脉宽调制）原理：

• 固定 PWM 频率；
• 改变高电平持续时间，即占空比；
• 占空比 0%：熄灭；100%：最大亮度；50%：中等亮度。

呼吸灯通过周期性修改 PWM 占空比，实现渐亮、渐暗循环变化。

1.1 STM32 PWM 介绍

2. 为什么选 TIM3 和 TIM4？

STM32F103 的 TIM3、TIM4 属于通用定时器，每路定时器包含 4 个输出通道，能够直接输出硬件 PWM 波形。
定时器通道与 GPIO 引脚映射：
TIM3_CH1 → PA6
TIM4_CH1 → PB6

3. 系统设计

3.1 硬件连接

表格

3.2 呼吸周期设计

• 呼吸总周期：2 s（1 s 渐亮 + 1 s 渐暗）
• PWM 载波频率：1 kHz，周期 1ms，消除人眼闪烁感
• 占空比更新步长：每 10ms 更新一次，一共 200 个亮度档位

3.3 CubeMX 配置详解（关键参数）

TIM3：硬件 PWM 输出（外接 LED）

• Clock Source: Internal Clock
• Channel 1: PWM Generation CH1
• Prescaler (PSC): 71 → 72 MHz / 72 = 1 MHz（计数周期 1 μs）
• Counter Period (ARR): 999 → PWM 周期 = (999+1) × 1μs = 1 ms（1 kHz）
• Pulse (CCR1): 初始值 0，程序运行中动态修改

TIM4：硬件 PWM 输出（外接 LED）

• Clock Source: Internal Clock
• Channel 1: PWM Generation CH1
• Prescaler (PSC): 71 → 72 MHz / 72 = 1 MHz（计数周期 1 μs）
• Counter Period (ARR): 999 → PWM 周期 = (999+1) × 1μs = 1 ms（1 kHz）
• Pulse (CCR1): 初始值 0

TIM2：10ms 节拍定时器

• PSC = 7199 → 计数时钟 10 kHz（100 μs 每计数）
• ARR = 99 → 中断周期 = 100 × 100 μs = 10 ms
  
  

3.4 核心代码实现

采用状态机实现呼吸逻辑，每 10ms 更新一次 PWM 占空比，两路 LED 同步变化。
全局变量定义：

主函数初始化配置，开启定时器中断与 PWM 输出：

定时器中断回调函数，同步修改两路 CCR 比较值：

✅ 关键点：
使用__HAL_TIM_SET_COMPARE修改 CCR 寄存器，执行效率高；两路 LED 使用同一占空比变量，保证同步渐变；亮度计算在中断内部完成，主循环负载低。

4. 效果展示

LED 同步完成渐亮、渐暗循环，无明显频闪，亮度变化平滑。

5. 小总结：PWM 是嵌入式工程师的 “调光魔法”

通过本实验，掌握多路硬件 PWM 配置方法、利用统一定时器节拍同步控制多个外设，搭建中断驱动、直接操作寄存器的高效程序架构。
PWM 技术不局限于 LED 调光，也是电机调速、音频信号生成、开关电源控制等项目的基础技术。

(三) 总结：从 “点灯” 到 “造节拍”，定时器在嵌入式系统中的应用

两组实验分别验证了定时器的两种典型用途：定时器中断实现周期性任务调度，硬件 PWM 实现模拟量输出。
二者核心硬件模块均为定时器。在 STM32 系统中，定时器是多功能外设，可作为多任务调度时基、PWM 波形发生器、输入捕获计时单元、电机控制驱动单元。
HAL_Delay仅能实现简单延时；结合中断与 PWM 技术后，定时器可以构建一套时序可控的裸机系统。
在编写裸机程序时，应当优先考虑硬件外设完成时序控制，减少 CPU 阻塞等待。合理利用硬件资源，是嵌入式程序设计的核心思路。