STM32 HAL us delay（微秒延时）的指令延时实现方式及优化

<>STM32 HAL us delay（微秒延时）的指令延时实现方式及优化

STM32的HAL库，直接提供了1ms延时的实现函数HAL_Delay()。其原理是系统在上电后时钟配置阶段，配置了1ms产生一次中断，然后对一个32位寄存器uwTick逐次加1。HAL_Delay(x)函数执行时，会读取当前的uwTick值，并循环读取不断增加的uwTick值，直到uwTick增加了x后退出循环。

要实现us级延时，可以从中断方式进行，如修改系统时钟中断配置，将系统时钟1ms中断改为1us中断，也可以用一个TIM定时器产生1us中断来计数实现1us级延时。但如果系统的业务时序比较紧张，太频繁的中断可能引入某些不良时序风险。在这种情况下，采用指令延时实现1us级延时是一种方式，但是需要注意，指令延时不是时钟延时，并非一个指令延时对应一个时钟延时，通常一个指令周期需要多个时钟周期实现，因此系统时钟的配置频率不同，也会影响一个指令周期的实现时间。采用循环语句进行指令延时的实现时，循环语句里的循环与否判断部分，也会产生指令周期的执行延时，需要综合考虑进去。因此，采用指令延时实现更精确1us级别延时需要进行特殊的设计。本代码采用的初步测定–优化–应用的方式：

<>us级延时设计
__IO float usDelayBase; void PY_usDelayTest(void) { __IO uint32_t firstms,
secondms; __IO uint32_t counter = 0; firstms = HAL_GetTick()+1; secondms =
firstms+1; while(uwTick!=firstms) ; while(uwTick!=secondms) counter++;
usDelayBase= ((float)counter)/1000; } void PY_Delay_us_t(uint32_t Delay) { __IO
uint32_t delayReg; __IO uint32_t usNum = (uint32_t)(Delay*usDelayBase); delayReg
= 0; while(delayReg!=usNum) delayReg++; }

上面的设计，实现了基本的us级延时函数的设计，分为系数测定函数和延时函数，系数测定函数测定1ms内特定语句的执行次数。其中HAL_GetTick()就是读取uwTick值并作为返回值的函数，和直接调用uwTick一样。


其中，循环执行的语句包含uwTick的读取，secondms的读取，一次不等于的比较，一次counter的加法。退出循环后的counter对应延时1ms时间要执行这种指令类型的次数。usDelayBase则是对应延时1us时间要要执行这种指令类型的次数，暂时以浮点形式表现。

在延时实现函数里，将要延时的us数乘以usDelayBase，得到要执行的特定类型指令的次数。然后执行特定类型指令形式的延时，即下面的方式：

这样，就实现了1us级别的延时。

<>us级延时设计优化

实际上，上面1us延时的实现，还存在一点小的偏差，可以通过下面的函数设计和执行，对usDelayBase进行进一步校准优化。
void PY_usDelayOptimize(void) { __IO uint32_t firstms, secondms; __IO float coe
= 1.0; firstms = HAL_GetTick(); PY_Delay_us_t(1000000) ; secondms = HAL_GetTick(
); coe = ((float)1000)/(secondms-firstms); usDelayBase = coe*usDelayBase; }

上述校正原理是，采用us延时函数延时1000000即1秒，那么对应的系统时钟的1ms延时数理论值是1000，而存在us延时函数偏差累积时，得到的不是1000，这个时候可以产生偏差校正系数coe，从而用coe*usDelayBase得到矫正后的usDelayBase。

<>us延时函数优化

上述已实现的us延时函数，对1us的延时，已很接近1us，但并非100%等于1us，因此如延时数比较大，如30分钟20秒100毫秒50微秒的延时，就会产生一定的累积时间偏差。对于us级精度又要实现长时间延时，用下面的优化函数，原理是将大于等于1ms的部分，用系统时钟的1ms延时函数代替实现，将小于1ms的微秒部分，用微秒延时函数实现。
void PY_Delay_us(uint32_t Delay) { __IO uint32_t delayReg; __IO uint32_t msNum
= Delay/1000; __IO uint32_t usNum = (uint32_t)((Delay%1000)*usDelayBase); if(
msNum>0) HAL_Delay(msNum); delayReg = 0; while(delayReg!=usNum) delayReg++; }
这样，就保证了长延时和短延时都具有良好的us精度。

另外，HAL库的HAL_Delay()如果没有调整中断优先级，不能用在各中断的中断处理函数中，在没有长延时us级高精度要求情况下，可以把本文中的PY_Delay_us_t()函数用在任意场合包括各中断处理函数中，如PY_Delay_us_t(1000)等同于HAL_Delay(1)的非中断方式实现。

<>使用方式

* 先定义上述的全局变量usDelayBase和4个函数。
* 在main函数进入while循环之前，执行 PY_usDelayTest(); 和 PY_usDelayOptimize();
* 在需要进行us延时的时候，执行PY_Delay_us(x)或 PY_Delay_us_t(x);
其中x为要延时的微秒数。如执行PY_Delay_us(12) ; 为延时12微秒；PY_Delay_us(1020) ; 为延时1毫秒20微秒。
<>GPIO驱动注意事项

在利用延时进行GPIO驱动时（譬如定时进行GPIO输出翻转)，需要注意GPIO的驱动延时，也即MCU从开始到执行完GPIO的管脚输出驱动有一定延时（几us），在这个延时后才会继续执行后面的代码。因此在采用TIM定时器中断和本方案指令延时驱动GPIO翻转时，就需要注意时序的区别，如果设置成像定时器中断里驱动GPIO翻转一样的延时，则采用指令延时的真实延时会加长，而解决办法就是相应的减少指令延时的时间，图示如下：

以STM32G030F6P6为例，主频设置为64MHz，驱动100us延时GPIO翻转的波形为：
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); PY_Delay_us_t(100);

驱动500us延时GPIO翻转的波形为：
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); PY_Delay_us_t(500);

可以看出有一个大约8us的GPIO输出延时，如果想要输出15us的翻转延时，则需要设置延时为15-8=7us：
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); PY_Delay_us_t(7);
波形验证：

<>易用性及扩展性

* 初始阶段执行 PY_usDelayTest() 和
PY_usDelayOptimize()是为了测得浮点参数值usDelayBase。实际上，如果要节约初始阶段的执行时间，可以单独用一个同样工程环境的测试工程，测试出usDelayBase，然后在正式工程中将usDelayBase定义为常量，则使用PY_Delay_us(x)或
PY_Delay_us_t(x)前不再产生初始阶段的时间占用，不需要定义和调用PY_usDelayTest()和 PY_usDelayOptimize()。
PY_Delay_us_t(x)的方式也应用于UCOS, FREE-RTOS,
RT-THREAD等嵌入式操作系统的微秒延时实现，不受操作系统接管时钟系统的影响。为了避免操作系统调度打断延时过程，还可用__disable_irq()与__enable_irq()来保护延时过程PY_Delay_us_t(x)的执行精度。
* 在主频高的情况下，指令延时的规格精度可以继续升级，譬如半微秒级（semi-us）延时的函数设计就可以如下代码实现： __IO float
semiusDelayBase; void PY_semiusDelayTest(void) { __IO uint32_t firstms, secondms
; __IO uint32_t counter = 0; firstms = HAL_GetTick()+1; secondms = firstms+1;
while(uwTick!=firstms) ; while(uwTick!=secondms) counter++; semiusDelayBase = ((
float)counter)/2000; } void PY_Delay_semius_t(uint32_t Delay) { __IO uint32_t
delayReg; __IO uint32_t semiusNum = (uint32_t)(Delay*semiusDelayBase); delayReg
= 0; while(delayReg!=semiusNum) delayReg++; } void PY_semiusDelayOptimize(void)
{ __IO uint32_t firstms, secondms; __IO float coe = 1.0; firstms = HAL_GetTick()
; PY_Delay_semius_t(2000000) ; secondms = HAL_GetTick(); coe = ((float)1000)/(
secondms-firstms); semiusDelayBase = coe*semiusDelayBase; } void PY_Delay_semius
(uint32_t Delay) { __IO uint32_t delayReg; __IO uint32_t msNum = Delay/2000;
__IOuint32_t semiusNum = (uint32_t)((Delay%2000)*semiusDelayBase); if(msNum>0)
HAL_Delay(msNum); delayReg = 0; while(delayReg!=semiusNum) delayReg++; }
使用方式一致，通过执行 PY_semiusDelayTest(); 和
PY_semiusDelayOptimize();获得浮点参数值semiusDelayBase，就可以通过PY_Delay_semius(x)或
PY_Delay_semius_t(x)调用半微秒精度延时，如PY_Delay_semius_t(3)为延迟1.5微秒。

–End–

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