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通用定时器GPT

ds 2025/7/14 5:24:40

GPT核心特性

GPT 计数器操作模式

重启模式

自由运行模式

GPT时钟源

GPT框图

输入捕获：测量外部信号的高电平脉冲宽度

输出比较：生成 1kHz PWM 波

GPT模块外部引脚复用与功能映射表

GPT使用注意事项

GPT Memory Map

GPT寄存器

GPTx_CR寄存器

GPTx_PR寄存器

GPTx_SR寄存器

GPTx_IR寄存器

GPTx_OCR1寄存器

GPTx_ICR1寄存器

GPTx_CNT寄存器

前言：

通用定时器（GPT）是一种功能强大的硬件模块，内置一个32位递增计数器，用于记录时钟脉冲的数量，为定时和计数操作提供核心支持；

GPT具备输入捕获能力，能够检测外部引脚的电平变化（如上升沿、下降沿或双边沿），并在触发时将当前的计数器值自动保存到专用寄存器中，方便后续读取或处理；

GPT支持输出比较功能，用户可以预先设定一个目标数值，当计数器达到该值时，硬件会自动在指定引脚上产生信号（例如电平翻转），可用于生成PWM波形或控制外部设备，此外，这一机制还会触发中断，让软件在中断服务中执行定时任务，比如周期性数据采集或系统调度；

GPT核心特性

一个具备时钟源选择功能的 32 位向上计数器，计数范围为（0 ~ 2³²-1），当时钟源选择内部高速时钟，可用于高精度定时，若选则低速时钟（32KHz RTC 时钟）则用于低功耗场景；
两个输入捕获通道，每个通道相互独立，每个输入捕获通道对应一个外部引脚，可监测引脚的电平跳变（上升沿 / 下降沿 / 双边沿），当引脚出现指定边沿时，立即将当前计数器值自动保存到到捕获寄存器，可以用于测量脉冲宽度（捕获上升沿记录t1，捕获下降沿记录t2，脉宽 = t2-t1）与测量信号周期（连续捕获两个上升沿，周期 = t2-t1）；
三个输出比较通道，每个通道相互独立，每个通道预设一个比较值，当计数器递增到该值时，触发硬件动作，常见输出模式为电平翻转（匹配时引脚电平翻转一次，用于生成单次脉冲）与持续 PWM（周期由计数器溢出周期决定，占空比由比较值与周期的比值决定）；
可配置为在低功耗模式和调试模式下保持工作状态；
在捕获事件、比较事件和计数器溢出事件发生时，可生成中断；
计数器操作支持重启模式或自由运行模式；

GPT 计数器操作模式

重启模式

当通过 GPT 控制寄存器 GPT_CR 配置为重启模式，在重启模式下，对于输出比较通道1，当计数器达到比较值时 → 计数器会重置并从 0x00000000 重新开始计数；

对于输出比较通道2与输出比较通道3，计数器达到其比较值 → 计数器不会重置，继续向上累加；

由于通道 1 的比较事件会强制重置计数器，如果通道 2与通道 3 的比较值 > 通道 1 的比较值 → 计数器会在达到通道 2与通道3 的比较值之前，先触发通道 1 的比较事件 → 计数器被重置为 0 → 通道 2/3 的比较事件永远不会触发；

注意事项：当对通道 1 的比较寄存器执行任何写操作时，都会重置 GPT 计数器；

假设计数器正在运行，此时修改通道 1 的比较值：

若原比较值 C_old 较大（如 0x1000），新值 C_new 较小（如 0x0800），且计数器已超过 C_new（当前计数值 CNT > C_new）→ 若不强制重置，C_new 永远不会触发比较事件（因为计数器只会继续递增到 0xffffffff）；
强制重置后，计数器从 0 开始，新的 C_new 会在下次计数到 C_new 时触发事件 → 确保修改比较值后，新的定时逻辑能立即生效，避免逻辑漏洞；

应用场景：通道 1 控制基础周期，通道 2与通道3 实现周期内的子事件；

通道 1 设定 "大周期"（1ms），让计数器每 1ms 重启 → 实现固定周期的主任务（数据上传任务）；
通道 2与通道3 设定 "大周期内的子时间点"（0.3ms、0.7ms）→ 触发周期内的细分任务（多阶段传感器采集数据、多阶段传感器数据处理）；

自由运行模式

当通过 GPT 控制寄存器 GPT_CR 配置为自由模式，在自由运行模式下，当所有 3 个比较通道发生比较事件时，计数器都不会重置，计数器会继续递增计数，直到达到 0xFFFFFFFF，然后回绕（溢出）到 0x00000000 重新开始；

当计数器与通道的比较值相等时，触发该通道的比较事件，三个比较通道（通道 1/2/3）共用一个32 位向上计数器，但是三个比较通道可设置不同的比较值，在同一个时间轴上独立触发事件；

应用场景：多事件并行调度，示例如下：

通道 1 比较值 T1 (T1=1000) → 触发传感器采集任务；
通道 2 比较值 T2 (T2=3000) → 触发检查硬件状态任务；
通道 3 比较值 T3 (T3=5000) → 触发系统校准任务；

GPT时钟源

Crystal Oscillator：系统基准时钟，典型频率为24MHz；
External Clock：外部时钟，无固定频率，可灵活配置；
Peripheral Clock：系统外设总线时钟，典型频率为66MHz；
Low Frequency Reference Clock: 低频参考时钟，用于低功耗模式、RTC 实时时钟，典型频率为32.768KHz；

High Frequency Reference Clock：系统的高频基准时钟；

GPT框图

Timer Counter 32-bit：32 位向上计数器；
GPT_CAPTURE1：输入捕获引脚，用于检测外部信号的边沿（上升沿 / 下降沿）；
IM1 (Input Mode/Mask)：输入模式控制，配置捕获的边沿类型（上升沿、下降沿、双边沿）或使能 / 屏蔽捕获；
IF1 (Input Flag)：输入捕获标志，当检测到指定边沿时置位，触发将计数器值保存到输入寄存器的机制；
IF1IE (Input Capture Interrupt Enable)：输入捕获中断使能位，置 1 时，捕获事件触发处理器中断；
Timer Input Reg 1 (32-bit)：输入捕获寄存器，存储捕获时刻的计数器值；
Counter Value BUS：用于实时传输当前计数器的计数值，一段连接 32 位定时器计数器，另一端连接输入捕获寄存器和输出比较比较器；
ROV (Roll-Over)：计数器溢出标志，当 Timer Counter 从 0xFFFFFFFF 回绕到 0 时置位；
ROVIE (Roll-Over Interrupt Enable)：溢出中断使能位，置 1 时，溢出事件触发处理器中断；
FRR (Free-Run Restart)：自由运行模式下的重启控制，决定计数器是否重置；
Timer Output Reg1 (32-bit)：输出比较寄存器，存储预设的比较值；
cmp (Comparator)：比较器，持续对比 Timer Counter 值与 Timer Output Reg 值，匹配时触发事件；
OF1 (Output Flag)：输出比较标志，比较匹配时置位，触发引脚动作或中断；
OF1IE (Output Compare Interrupt Enable)：输出比较中断使能位，置 1 时，比较事件触发处理器中断；
OM1 (Output Mode)：输出模式控制，决定比较匹配时 GPT_COMPARE1 引脚的动作（如电平翻转、置高、置低等）；
GPT_COMPARE1 ：输出比较通道引脚；

输入捕获：测量外部信号的高电平脉冲宽度

需求：测量 GPT_CAPTURE1 引脚上的高电平脉冲宽度，系统时钟经预分频后为 1MHz（计数器每 1μs 加 1）；

一配置阶段：

选择时钟源为 ipg_clk=66MHz，设置预分频系数为 66（66MHz / 66 = 1MHz，计数器每1μs 递增 1）；
配置 IM1：由于需要测量高电平脉冲宽度，即上升沿开始、下降沿结束，因此选择上升沿和下降沿捕获；
置位 IF1IE：使能输入捕获中断，捕获事件触发中断处理；

二捕获上升沿（记录起始时间）：

外部信号在 GPT_CAPTURE1 引脚产生上升沿，sync 同步后，IM1 触发 IF1；
Timer Input Reg 1 锁存当前计数器值（假设为 T1 = 1000）；
若 IF1IE 使能，触发中断，软件记录 T1（起始时间）；

三捕获下降沿（记录结束时间）：

外部信号在 GPT_CAPTURE1 引脚产生下降沿，sync 同步后，IM1 再次触发 IF1；
Timer Input Reg 1 锁存当前计数器值（假设为 T2 = 1500）；
触发中断，软件计算脉冲宽度：T2 - T1 = 500（计数）→ 对应时间 500μs（因 1 计数 = 1μs）；

输出比较：生成 1kHz PWM 波

需求：在 GPT_COMPARE1 引脚生成 1kHz、占空比 50% 的 PWM 波；

分析: 假设计数器时钟 1MHz（周期 1μs），则 PWM 周期需 1000μs（1kHz），占空比 50% 即高电平 500μs、低电平 500μs，那么输出比较寄存器的初始值设置为500；

一配置阶段：

选择时钟源为 ipg_clk=66MHz，设置预分频系数为 66；
配置 OM1：比较匹配时GPT_CAPTURE1 引脚电平翻转；
初始化输出比较寄存器（ Timer Output Reg1) 为 500；
置位 OF1IE：使能输出比较中断，用于更新下一次比较值；

二第一次比较匹配（上升沿）：

计数器从 0 开始计数，达到 500 时，cmp 比较匹配，OF1 置位；
OM1 控制 GPT_COMPARE1 引脚电平翻转（假设初始为低电平 → 高电平）；
若 OF1IE 使能，触发中断，软件更新 Timer Output Reg1 为 1000；

三第二次比较匹配（下降沿）：

计数器继续计数到 1000，cmp 再次匹配，OF1 置位。
OM1 控制引脚电平翻转（高电平 → 低电平）。
中断中更新 Timer Output Reg1 为 1500（下一个周期的高电平结束点）；

四循环生成 PWM：

每次比较匹配时翻转电平，并更新下一次比较值，持续循环 → 生成稳定的 1kHz、50% 占空比 PWM 波；

GPT模块外部引脚复用与功能映射表

时钟引脚选取：首先检查检查是否需要以太网（ENET1）或 UART1 功能，若以太网和 UART1 都不用，任选；若其中一个需启用，选另一个闲置的；然后将选取的引脚复用为GPT 时钟引脚；

输入捕获引脚（GPT1_CAPTURE1）选取：优先选取GPIO1_IO00，由于GPIO1_IO00 是独立 GPIO，复用为捕获功能时不影响其他外设；

输出比较引脚（GPT1_COMPARE1）选取：优先选取GPIO1_IO01，由于GPIO1_IO01 是独立 GPIO，复用为比较功能时不影响其他外设；

GPT使用注意事项

若 GPT 定时器被禁用（EN=0），则计数器（Main Counter）和预分频器（Prescaler Counter）会冻结当前计数值（停止递增，保持最后一次计数结果），此时，ENMOD 位决定：当 EN 位重新置 1（GPT 再次使能）时，计数器如何恢复计数：

若 ENMOD=1（重置模式）：当 GPT 重新使能（EN=1）时，主计数器和预分频计数器会被强制重置为 0（从头开始计数）；
若 ENMOD=0（续传模式）：当 GPT 重新使能（EN=1）时，主计数器和预分频计数器会从冻结的计数值继续递增；

硬件复位：会将所有 GPT 寄存器重置为各自的默认复位值，除输出比较寄存器（OCR1、OCR2、OCR3）会被置为0xFFFFFFFF外，其余寄存器均恢复默认，而输入捕获寄存器复位值会被重置为 0x00000000；

GPT Memory Map

GPT寄存器

GPTx_CR寄存器

bit[0]: EN位，定时器使能位，若配置为1表示启用 GPT 计数器，开始计数；若配置为0表示禁用计数器，冻结当前计数值；
bit[1]: ENMOD位，使能模式位，决定禁用后重新使能时的行为，若配置为1表示重新使能；时，计数器重置为 0，若配置为0表示重新使能时，计数器从冻结值继续递增计数；

bit[8:6]: CLKSRC位，时钟源选择位，用于配置 GPT 计数器的时钟来源，若配置为000表示无时钟输入，配置为001表示时钟源为ipg_clk，配置为010表示时钟源为ipg_clk_highfreq，配置为011表示时钟源为External Clock，配置为100表示时钟源为ipg_clk_32k，配置为101表示时钟源为ipg_clk_24M；

bit[9]: FRR位，自由运行 / 重启模式选择位，若配置为1表示自由运行模式，若配置为0表示重启模式；
bit[10]: EN_24M位，24MHz 时钟使能；

bit[15]: SWR位，软件复位控制位，写 1 复位 GPT 定时器，复位后自动清0；

bit[17:16]: IM1位，输入捕获通道1模式控制位，用于配置 GPT_CAPTURE1 引脚的哪种跳变方式会触发保存计数器值的动作，若配置为00表示禁用捕获，若配置为01表示仅上升沿触发，若配置为10表示仅下降沿触发，若配置为11表示双边沿触发；

bit[22:20]: OM1位，输出比较通道 1 的模式控制位，用于配置比较匹配时 GPT_COMPARE1引脚的具体动作，若配置为000表示输出断开即比较事件不影响引脚；若配置为001表示翻转输出即比较事件发生时，引脚电平翻转；若配置为010表示清除输出即比较事件发生时，引脚电平配置低电平；若配置为011表示置位输出即比较事件发生时，引脚电平配置高电平；

bit[29]: FO1位，强制输出比较位，其作用为手动触发输出比较动作，若配置为1时立即执行 OMn 配置的输出动作，但不置位状态寄存器（GPTX_SR）比较事件标志位（OFn)，写1后自动清除；

GPTx_PR寄存器

bit[31:16]: 保留位

bit[15:12]: PRESCALER24M位，当且仅当时钟源（CLK_SRC）选择 24M 晶体时钟时生效，对 24MHz 输入时钟分频；

bit[11:0]: PRESCALER位，用于对 CLK_SRC 选择的任意时钟源分频，决定最终输入计数器的时钟频率，其中分频系数 = PRESCALER 值 + 1，如PRESCALER = 0x001则分频系数为 2

GPTx_SR寄存器

bit[0]: OF1位，输出比较通道 1 标志位，当计数器值匹配 GPT_COMPARE1 的比较值时置 1；
bit[3]: IF1位，输入捕获通道 1 标志位，当 GPT_CAPTURE1 引脚检测到配置的边沿跳变时置 1；

bit[5]: ROV位，计数器溢出标志位，无论计数器处于重启模式还是自由运行模式，只有计数器真正达到 0xFFFFFFFF 时ROV位置 1（当 32 位计数器从 0xFFFFFFFF 回绕到 0 时置 1；

GPTx_IR寄存器

bit [0]: OF1IE位，输出比较通道 1 中断使能，0表示禁用通道 1 的比较中断（OF1 标志置位不触发中断），1表示启用通道 1 的比较中断（OF1 标志置位时触发中断）；

bit [3]: IF1IE位，输入捕获通道 1 中断使能，0 表示禁用通道 1 的捕获中断（IF1 标志置位不触发中断） 1表示启用通道 1 的捕获中断（IF1 标志置位时触发中断）；

bit [5]: ROVIE位，计数器溢出中断使能， 0表示禁用溢出中断（即使 ROV 标志置位，也不触发中断）， 1表示启用溢出中断（ROV 标志置位时，触发中断）；