STM32 ШИМ на стандартных контактах GPIO

Я использую STM32F407ZET6 с поддержкой ядра Arduino в PlatformIO. Процессор имеет внешний кварцевый резонатор на 8 МГц, работающий на частоте 168 МГц. У меня есть проект, в котором я уже использую UART1, I2C1, SPI2 и SDIO (частота 1 Гц, используя этот пример в качестве основы для кода), а также 14 аналоговых входов. У меня есть 14 выходных контактов, которые я хочу использовать для ШИМ с частотой 200 Гц для управления несколькими высокоскоростными синхронизаторами (HSD).

Поскольку у меня нет доступных выводов с поддержкой ШИМ, я попытался добиться этого, используя аппаратный таймер с интервалом 50 мкс, чтобы обеспечить разрешение ШИМ 100. В принципе, это работает, но, как мне кажется, частые прерывания создают проблемы для других периферийных устройств, особенно для SDIO, который, похоже, прекращает запись на SD. Я перепробовал несколько разных таймеров, пытаясь решить проблемы с SDIO. Без включённого таймера запись данных с SD на частоте 1 Гц, похоже, работает стабильно.

Другой подход, который, на мой взгляд, может сработать, — это использование аппаратного таймера с DMA для записи в регистры портов в надежде, что это не нарушит работу других периферийных устройств. Возможно ли это, и может ли кто-нибудь дать мне советы? Как этого добиться? Я потратил несколько часов, пытаясь реализовать обновление GPIO для портов F и G, но безуспешно.

Обновление: Следующий код, безусловно, нуждается в доработке, но он работает. Любые предложения по улучшению приветствуются.

В чем я не уверен, так это в использовании аналоговых контактов на тех же портах и в том, представляет ли это проблему.

Кроме того, вызовет ли использование digitalWrite() на каком-либо из неиспользуемых выводов в коде ниже проблемы? Стоит ли обновлять какие-либо цифровые выводы, независимо от того, есть ли ШИМ-сигнал или нет, используя код ниже?

#include "Arduino.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

// Контакты для обновления
const uint16_t GPIOG_PINS[] = {GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_2};
const uint8_t NUM_PINS_G = sizeof(GPIOG_PINS) / sizeof(GPIOG_PINS[0]);

const uint16_t GPIOF_PINS[] = {GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_0};
const uint8_t NUM_PINS_F = sizeof(GPIOF_PINS) / sizeof(GPIOF_PINS[0]);

// Буфер DMA для нескольких контактов
uint16_t pwmBufferG[100];
uint16_t pwmBufferF[100];

// Независимое отслеживание рабочего цикла
uint8_t dutyCycles[14] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

// Дескрипторы таймера и DMA
TIM_HandleTypeDef htim8;
TIM_HandleTypeDef htim1;

// Настройка буфера ШИМ
void updatePWMDutyCycle(uint8_t pinIndex, uint8_t dutyCycle)
{
  if (pinIndex >= NUM_PINS_G + NUM_PINS_F)
    return; // Убедитесь, что индекс правильный

  dutyCycles[pinIndex] = dutyCycle; // Сохраняем новый рабочий цикл

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
    if (pinIndex < NUM_PINS_G)
    {
      if (i < dutyCycle)
      {
        pwmBufferG[i] |= GPIOG_PINS[pinIndex]; // Установить высокий уровень контакта
      }
      else
      {
        pwmBufferG[i] &= ~GPIOG_PINS[pinIndex]; // Установить вывод на низкий уровень
      }
    }
    else
    {
      if (i < dutyCycle)
      {
        pwmBufferF[i] |= GPIOF_PINS[pinIndex - NUM_PINS_G]; // Установить высокий уровень вывода
      }
      else
      {
        pwmBufferF[i] &= ~GPIOF_PINS[pinIndex - NUM_PINS_G]; // Установить вывод на низкий уровень
      }
    }
  }
}

void configureDMA()
{
  __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

  // Первый DMA (Поток 1, Канал 7)
  static DMA_HandleTypeDef hdma;
  hdma.Instance = DMA2_Stream1;
  hdma.Init.Channel = DMA_CHANNEL_7;
  hdma.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  hdma.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  hdma.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  hdma.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
  hdma.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
  hdma.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

  HAL_DMA_Init(&hdma);
  __HAL_LINKDMA(&htim8, hdma[TIM_DMA_ID_UPDATE], hdma);

  HAL_DMA_Start(&hdma, (uint32_t)pwmBufferG, (uint32_t)&GPIOG->ODR, 100);

  // Второй DMA (поток 5, канал 6)
  static DMA_HandleTypeDef hdma_tim1_up;
  hdma_tim1_up.Instance = DMA2_Stream5;
  hdma_tim1_up.Init.Channel = DMA_CHANNEL_6;
  hdma_tim1_up.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  hdma_tim1_up.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  hdma_tim1_up.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  hdma_tim1_up.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma_tim1_up.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma_tim1_up.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
  hdma_tim1_up.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
  hdma_tim1_up.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

  HAL_DMA_Init(&hdma_tim1_up);
  __HAL_LINKDMA(&htim1, hdma[TIM_DMA_ID_UPDATE], hdma_tim1_up);

  HAL_DMA_Start(&hdma_tim1_up, (uint32_t)pwmBufferF, (uint32_t)&GPIOF->ODR, 100);
}

void configureTimer()
{
  __HAL_RCC_TIM8_CLK_ENABLE();

  htim8.Instance = TIM8;
  htim8.Init.Prescaler = 84 - 1; // 84МГц / 84 = 1МГц
  htim8.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim8.Init.Period = 100 - 1; // 1МГц / 100 = 10 кГц
  htim8.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim8.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim8);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim8);

  __HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim8, TIM_DMA_UPDATE);

  __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();

  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 84 - 1; // 84МГц / 84 = 1МГц
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 100 - 1; // 1МГц / 100 = 10 кГц
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim1);

  __HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim1, TIM_DMA_UPDATE);
}

void setupGPIO()
{
  __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitTypeDef GPIOG_InitStruct = {0};
  GPIOG_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2;
  GPIOG_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIOG_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIOG_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIOG_InitStruct);

  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitTypeDef GPIOF_InitStruct = {0};
  GPIOF_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_0;
  GPIOF_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIOF_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIOF_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIOF_InitStruct);
}

void setup()
{
  // Инициализируем последовательный порт для отладки (необязательно)
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("STM32 Software PWM Started");

  setupGPIO();
  for (int i = 0; i < NUM_PINS_G + NUM_PINS_F; i++)
  {
    updatePWMDutyCycle(i, 50);
  }
  configureDMA();
  configureTimer();
  Serial.println("Updated PWM duty cycles");
}

void loop()
{
  
}

Обновление 2:

С учётом предложений liaifat85, а также с использованием BSRR (Bit Set Reset Register), я обновил код ниже. После прочтения этого вопроса я считаю, что использование BSRR в данном случае предпочтительнее. Я проверил работоспособность, изменив скважность и проверив выходы осциллографом.

#include "Arduino.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

// Контакты для обновления
const uint16_t GPIOG_PINS[] = {GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_2}; // Выходы от 1 до 7
const uint8_t NUM_PINS_G = sizeof(GPIOG_PINS) / sizeof(GPIOG_PINS[0]);

const uint16_t GPIOF_PINS[] = {GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_0}; // Выходы с 8 по 14
const uint8_t NUM_PINS_F = sizeof(GPIOF_PINS) / sizeof(GPIOF_PINS[0]);

// Буфер DMA для нескольких контактов
uint32_t pwmBufferG[100] = {0};
uint32_t pwmBufferF[100] = {0};

// Независимое отслеживание рабочего цикла
uint8_t dutyCycles[14] = {0};

// Дескрипторы таймера и DMA
TIM_HandleTypeDef htim8;
TIM_HandleTypeDef htim1;

// Настройка буфера ШИМ
void updatePWMDutyCycle(uint8_t pinIndex, uint8_t dutyCycle)
{
  if (pinIndex >= NUM_PINS_G + NUM_PINS_F)
    return; // Убедитесь, что индекс правильный

  dutyCycles[pinIndex] = dutyCycle; // Сохраняем новый рабочий цикл [cite: 6]

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
    uint32_t setMask;
    uint32_t resetMask;

    if (pinIndex < NUM_PINS_G)
    {
      setMask = GPIOG_PINS[pinIndex];
      resetMask = GPIOG_PINS[pinIndex] << 16; // Значение сброса BSRR — это вывод, сдвинутый влево на 16
      if (i < dutyCycle)
      {
        pwmBufferG[i] |= setMask; // Установить высокий уровень контакта
        pwmBufferG[i] &= ~resetMask;
      }
      else
      {
        pwmBufferG[i] |= resetMask; // Установить вывод на низкий уровень
        pwmBufferG[i] &= ~setMask;
      }
    }
    else
    {
      setMask = GPIOF_PINS[pinIndex - NUM_PINS_G];
      resetMask = GPIOF_PINS[pinIndex - NUM_PINS_G] << 16; // Значение сброса BSRR — это вывод, сдвинутый влево на 16
      if (i < dutyCycle)
      {
        pwmBufferF[i] |= setMask; // Установить высокий уровень контакта
        pwmBufferF[i] &= ~resetMask;
      }
      else
      {
        pwmBufferF[i] |= resetMask; // Установить вывод на низкий уровень
        pwmBufferF[i] &= ~setMask;
      }
    }
  }
}

void configureDMA()
{
  __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

  // Первый DMA (Поток 1, Канал 7)
  static DMA_HandleTypeDef hdma;
  hdma.Instance = DMA2_Stream1;
  hdma.Init.Channel = DMA_CHANNEL_7;
  hdma.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  hdma.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  hdma.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  hdma.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
  hdma.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
  hdma.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
  hdma.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
  hdma.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

  HAL_DMA_Init(&hdma);  
  htim8.hdma[TIM_DMA_ID_UPDATE] = &hdma;

  HAL_DMA_Start(&hdma, (uint32_t)pwmBufferG, (uint32_t)&GPIOG->BSRR, 100);

  // Второй DMA (поток 5, канал 6)
  static DMA_HandleTypeDef hdma_tim1_up;
  hdma_tim1_up.Instance = DMA2_Stream5;
  hdma_tim1_up.Init.Channel = DMA_CHANNEL_6;
  hdma_tim1_up.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  hdma_tim1_up.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  hdma_tim1_up.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  hdma_tim1_up.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
  hdma_tim1_up.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
  hdma_tim1_up.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
  hdma_tim1_up.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
  hdma_tim1_up.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

  HAL_DMA_Init(&hdma_tim1_up);  
  htim1.hdma[TIM_DMA_ID_UPDATE] = &hdma;

  HAL_DMA_Start(&hdma_tim1_up, (uint32_t)pwmBufferF, (uint32_t)&GPIOF->BSRR, 100);
}

void configureTimer()
{
  __HAL_RCC_TIM8_CLK_ENABLE();

  htim8.Instance = TIM8;
  htim8.Init.Prescaler = 84 - 1; // 84МГц / 84 = 1МГц
  htim8.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim8.Init.Period = 100 - 1; // 1МГц / 100 = 10 кГц
  htim8.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim8.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim8);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim8);

  __HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim8, TIM_DMA_UPDATE);

  __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();

  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 84 - 1; // 84МГц / 84 = 1МГц
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 100 - 1; // 1МГц / 100 = 10 кГц
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim1);

  __HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim1, TIM_DMA_UPDATE);
}

void setupGPIO()
{
  __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitTypeDef GPIOG_InitStruct = {0};
  GPIOG_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2;
  GPIOG_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIOG_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIOG_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIOG_InitStruct);

  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitTypeDef GPIOF_InitStruct = {0};
  GPIOF_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_0;
  GPIOF_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIOF_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIOF_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIOF_InitStruct);
}

void setup()
{
  // Инициализируем последовательный порт для отладки (необязательно)
  Serial.begin(115200);

  setupGPIO();
  for (int i = 0; i < NUM_PINS_G + NUM_PINS_F; i++)
  {
    updatePWMDutyCycle(i, 50);
  }
  configureDMA();
  configureTimer();
}

void loop()
{
  
}