ARM平台PWM驱动开发：从零实现脉宽调制

手撕定时器：在ARM Cortex-M上从寄存器开始实现精准PWM控制

你有没有遇到过这种情况？想用STM32调个LED亮度，结果发现HAL库初始化要十几行代码；或者做电机控制时，占空比更新总有点延迟，波形还偶尔抖动。问题可能不在算法——而在于你和硬件之间隔了太多层抽象。

今天，我们不谈HAL、不讲CubeMX，直接打开数据手册，从寄存器操作开始，一步步构建一个真正属于你的PWM驱动。这不是为了炫技，而是为了让你搞清楚：那一串方波信号，到底是怎么从芯片引脚里“蹦”出来的。

为什么你需要懂底层PWM

先说个现实：大多数嵌入式项目里，工程师拿到开发板第一件事就是配时钟、开GPIO、调HAL_TIM_PWM_Start()。一切顺利当然好，可一旦出问题——比如PWM频率对不上、多通道不同步、动态调占空比有毛刺——很多人就只能靠“重启试试”或“换库重写”。

但如果你知道：

• ARR寄存器决定了周期
• CCR控制着高电平持续多久
• PSC分频背后是APB总线时钟的倍频机制
• 预装载（preload）是防止波形跳变的关键

那你就能像看电路图一样“读”出波形行为，而不是靠猜。

更重要的是，在资源紧张的裸机系统中，每一点性能都值得争取。HAL库确实方便，但它为兼容性付出的代价是：函数调用栈深、内存占用高、执行路径不可预测。而一个直接操作寄存器的PWM驱动，可以做到启动即运行、零CPU干预、纳秒级响应。

PWM的本质：数字世界里的“模拟魔法”

脉宽调制（PWM），名字听起来高级，其实原理非常朴素：用开关动作模拟连续输出。

想象你在给小孩喂药，每次只准喝一口，但你可以控制他张嘴的时间长短。如果1秒内张嘴0.8秒，闭嘴0.2秒，那平均下来就像一直在小口喝。PWM干的就是这事——通过调节高电平时间占比（也就是占空比），让负载“感觉”到不同的电压水平。

关键参数三剑客

举个例子：你想生成1kHz、25%占空比的PWM信号，系统时钟为84MHz（APB1总线）。
那么：

• 设PSC = 83→ 分频后计数时钟为 1MHz（即每个tick=1μs）
• 设ARR = 999→ 计数0~999共1000次 → 周期1ms → 频率1kHz
• 设CCR = 249→ 前250μs输出高电平 → 占空比25%

就这么简单。而这三个值，最终都会写进定时器的寄存器里。

STM32是怎么生成PWM的？揭开定时器的黑盒

以STM32F4系列为例，它的通用定时器（如TIM2-TIM5）不仅能计时、测频率，还能当PWM发生器用。这背后依赖的是一个精巧的硬件结构：

[APB Clock] ↓ [PSC分频器] → [计数器CNT] → 与 [ARR] 比较 → 溢出复位 ↓ 与 [CCR] 比较 → 触发输出逻辑 ↓ [GPIO输出]

这个流程中最重要的设计是：影子寄存器（Shadow Register）与预装载机制。

什么意思？比如你在程序中修改了TIM3->ARR，并不会立刻生效。新值先存入缓冲寄存器，等到下一个更新事件（UEV）才写入真正的自动重载寄存器。这样做的好处是避免中途改周期导致当前周期被截断，从而引起波形畸变。

同样地，CCR也可以开启预装载，确保占空比更新发生在周期边界，保持输出平滑。

动手写第一个PWM驱动：不用任何库，只靠寄存器

我们现在要在STM32F407上，把PA6配置成TIM3_CH1的PWM输出，并产生1kHz、可调占空比的信号。

目标明确：不引入HAL、LL、CMSIS以外的任何中间层，全程直面寄存器。

第一步：时钟使能——让外设“活过来”

所有外设默认都是断电状态。第一步必须打开时钟门控。

// 开启GPIOA和TIM3时钟 RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN; // GPIOA挂载在AHB1总线 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN; // TIM3在APB1上

⚠️ 注意：APB1最大频率通常为42MHz（F4系列），但TIMx时钟可能会被内部乘以2（若APB prescaler=1）。查手册确认！此处假设TIM3实际时钟为84MHz。

第二步：配置GPIO复用功能

PA6不是天生就能输出PWM的。它需要被设置为复用推挽输出模式，并指定连接到哪个外设功能。

// 清除PA6原有模式位 GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER6_Msk; GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER6_1; // 10: 复用模式 GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT_6; // 0: 推挽输出 GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR6; // 高速 GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPDR6_Msk; // 无上下拉 // 将PA6映射到TIM3_CH1 (AF2) GPIOA->AFR[0] |= (2U << GPIO_AFRL_AFRL6_Pos); // AF2

这里的关键是AFR寄存器。STM32的每个GPIO都有两个AFR（低/高位），用来选择复用功能编号。查《Reference Manual》可知，TIM3_CH1对应AF2。

第三步：配置定时器核心参数

现在轮到TIM3登场了。

// 设置分频系数：84MHz / (84) = 1MHz → 每tick=1us TIM3->PSC = 83; // 设置周期：1000 ticks → 1ms → 1kHz TIM3->ARR = 999; // 初始占空比：25% → 250 ticks TIM3->CCR1 = 249;

这些数值决定了最基本的波形特征。注意，此时还没启用输出，只是准备好了参数。

第四步：设置PWM模式与输出极性

接下来告诉定时器：“我要用PWM模式1”，并且“比较匹配时翻转电平”。

// 配置通道1为PWM模式1（向上计数时，CNT < CCR 为高） TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; // 启用CCR1预装载，保证更新时不产生毛刺 TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE; // 使能通道1输出 TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能ARR预装载 TIM3->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;

重点解释一下OC1M字段：

• OC1M[2:0] = 110表示 PWM Mode 1
• 在向上计数模式下：
• 当CNT < CCR1，输出有效电平（高）
• 当CNT >= CCR1，输出无效电平（低）

这就是标准PWM波形的生成逻辑。

第五步：启动定时器

最后一步，启动计数器：

TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

一旦这条指令执行，TIM3就开始从0递增计数，同时根据比较结果控制PA6电平变化。从此以后，无需CPU干预，PWM波形将持续稳定输出。

封装成可调函数

为了让占空比可以动态调整，我们可以封装一个安全函数：

void PWM_SetDuty(uint32_t duty) { if (duty > 1000) duty = 1000; TIM3->CCR1 = duty - 1; // 映射0~1000 → 0~999 }

💡 提示：实际应用中建议使用定时器更新中断或DMA来同步多通道更新，避免竞争条件。

进阶技巧：如何避免波形跳变？

新手常犯的一个错误是：在运行中直接修改ARR或CCR，导致当前周期被打断，出现异常脉冲。

解决方案很简单：始终启用预装载机制，并在更新事件后写入新值。

例如：

// 修改ARR（改变频率） TIM3->ARR = new_period - 1; // 新值已写入缓冲区 // 等待更新事件发生后再生效（可通过中断捕获UEV）

此外，对于互补输出（如H桥驱动），务必启用死区时间（Dead Time）和刹车功能（Break），防止上下管直通造成短路。

实战中的坑点与秘籍

🔴 坑1：明明配置了，PA6却不输出！

检查以下几点：

• 是否开启了RCC时钟？
• AFR是否正确设置了AF编号？
• 是否误用了PB6或其他非重映射引脚？
• 是否与其他外设冲突（如I2C也用PA6）？

可以用万用表测PA6是否有电平跳动，或者用逻辑分析仪抓波形。

🔴 坑2：频率总是差一倍？

很可能是忽略了APB总线的时钟倍频机制。STM32内部会对挂载在APB上的定时器时钟进行×2处理（当prescaler≠1时）。如果不小心，你以为84MHz，其实是168MHz！

解决方法：仔细阅读《RCC章节》中的“Timer clock frequencies”说明，计算真实输入时钟。

🟢 秘籍：跨平台移植怎么做？

虽然上面代码针对STM32，但只要遵循CMSIS标准，稍作抽象即可用于其他ARM Cortex-M芯片。

定义一个通用接口：

typedef struct { TIM_TypeDef *tim; uint32_t arr; uint32_t psc; uint8_t ch; // channel } pwm_t; void pwm_init(pwm_t *p, int freq_hz, float duty_ratio) { uint32_t clk = SystemCoreClock / 2; // APB1 clock uint32_t timer_clk = (clk == 84000000) ? 84000000 : clk * 2; // check RM p->psc = timer_clk / 1000000 - 1; // 1MHz计数 p->arr = 1000000 / freq_hz - 1; p->tim->PSC = p->psc; p->tim->ARR = p->arr; if (p->ch == 1) p->tim->CCR1 = p->arr * duty_ratio; // ...其余配置省略 }

这样一来，GD32、NXP Kinetis、EFM32等平台也能快速适配。

它不只是LED调光：PWM还能做什么？

别以为PWM只能调亮度。掌握底层之后，你会发现它的潜力远超想象：

• 直流电机调速：结合PID实时调节占空比
• 无刷电机（BLDC）六步换相：三相互补PWM输出
• 数字音频播放：PWM+LC滤波≈DAC，播放WAV文件
• 开关电源控制：Buck/Boost拓扑中的驱动信号
• 红外遥控编码：通过占空比组合发送NEC协议

甚至有人用PWM配合超声波模块实现“空中触控”。关键就在于：你能多精确地掌控每一个上升沿和下降沿。

写到最后：回归硬件，才能超越框架

现在的嵌入式开发越来越“傻瓜化”：拖拽配置、自动生成代码、一键下载。工具链确实进步了，但也让我们离硬件越来越远。

当你某天发现，自己不会看数据手册就不敢动一个引脚，不会调寄存器就不敢改一句配置——你就该警惕了。

本文带你走了一遍最原始的PWM实现路径，目的不是让你放弃HAL库，而是希望你明白：

每一行封装代码的背后，都是寄存器在默默工作。

下次当你调用__HAL_TIM_SET_COMPARE()的时候，不妨想一想：它究竟改了哪个寄存器？什么时候生效？会不会引起毛刺？

只有理解了底层，你才能真正驾驭这些高级工具，而不是被它们驾驭。

如果你正在学习arm开发，或是想提升对Cortex-M系统的掌控力，不妨试试亲手写一个PWM驱动。哪怕只是一个简单的呼吸灯，也会让你对“嵌入式”三个字有全新的认识。

欢迎在评论区分享你的PWM实战经历：你是怎么解决频率不准的？有没有遇到过奇怪的噪声干扰？我们一起探讨。