SysTick 타이머 활용 — 24-bit Counter·1ms Tick·delay 구현

#한 줄 요약

“SysTick은 모든 Cortex-M에 있는 1ms tick generator입니다.” Reload + IRQ 두 줄로 jiffies, delay, timeout이 끝납니다.

#어떤 상황에서 쓰나

RTOS 없는 펌웨어에서 “100ms 후에 LED 끄기” 같은 단순 시간 처리가 필요할 때마다 polling delay를 쓰지 않습니다. delay loop은 CPU clock 변화에 취약하고 다른 일을 막습니다. SysTick은 Cortex-M에 표준으로 들어있는 24-bit down-counter로 reload 시 IRQ를 발생시킵니다.

이 글은 SysTick으로 1ms jiffies counter를 만들고, 안전한 delay_ms(), overflow-safe timeout 비교를 작성합니다.

#핵심 개념

#SysTick register 네 개

CMSIS에서는 SysTick->CTRL, SysTick->LOAD, SysTick->VAL로 접근합니다.

#Tick frequency 계산

1
reload + 1 = SYSCLK / desired_tick_hz
2

3
예) SYSCLK = 168 MHz, 1 ms tick (1000 Hz)
4
    reload + 1 = 168000000 / 1000 = 168000
5
    → SysTick->LOAD = 168000 - 1 = 167999

24-bit 한계는 16,777,215. 168 MHz에서 최대 100ms 주기까지 가능합니다. 더 긴 주기는 TIM을 씁니다.

#Overflow-safe timing

32-bit jiffies 카운터는 ~49.7일 후 wrap합니다. 직접 비교는 wrap 직후 잘못된 결과가 나옵니다.

1
// ✗ 잘못 — wrap 시점에 false negative
2
if (jiffies > deadline) { ... }
3

4
// ✓ 옳음 — signed 차이로 비교
5
if ((int32_t)(jiffies - deadline) >= 0) { ... }

Linux kernel의 time_after()·time_before() 매크로가 같은 패턴입니다.

#코드 예제

#1. SysTick init + handler

1
volatile uint32_t g_jiffies;
2

3
void systick_init_1ms(uint32_t sysclk_hz) {
4
    SysTick->LOAD = (sysclk_hz / 1000u) - 1;
5
    SysTick->VAL  = 0;
6
    SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk
7
                  | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk
8
                  | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
9
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 15);   // 일반적으로 가장 낮게
10
}
11

12
void SysTick_Handler(void) {
13
    g_jiffies++;
14
}
15

16
uint32_t millis(void) {
17
    return g_jiffies;
18
}

#2. Safe delay

1
void delay_ms(uint32_t ms) {
2
    uint32_t start = g_jiffies;
3
    while ((g_jiffies - start) < ms) {
4
        __WFI();   // wait for interrupt — low power
5
    }
6
}

g_jiffies는 volatile이어야 합니다. 안 그러면 compiler가 register에 캐싱해 infinite loop.

#3. Timeout 패턴

1
typedef struct {
2
    uint32_t deadline;
3
} timeout_t;
4

5
static inline void timeout_start(timeout_t *t, uint32_t ms) {
6
    t->deadline = g_jiffies + ms;
7
}
8

9
static inline int timeout_expired(const timeout_t *t) {
10
    return (int32_t)(g_jiffies - t->deadline) >= 0;
11
}
12

13
// 사용
14
timeout_t t;
15
timeout_start(&t, 100);
16
while (!sensor_ready()) {
17
    if (timeout_expired(&t)) {
18
        return -ETIMEDOUT;
19
    }
20
}

int32_t cast가 핵심입니다. 49.7일 wrap 직후에도 정확히 동작합니다.

#4. Microsecond delay — busy loop

__WFI()는 1 ms 단위입니다. 더 짧은 delay는 cycle 카운터(DWT) 또는 SysTick VAL을 직접 읽습니다.

1
void delay_us_dwt(uint32_t us) {
2
    uint32_t start = DWT->CYCCNT;
3
    uint32_t cycles = us * (SystemCoreClock / 1000000u);
4
    while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles);
5
}
6

7
// DWT init (한 번만)
8
void dwt_init(void) {
9
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
10
    DWT->CYCCNT = 0;
11
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
12
}

DWT cycle counter는 32-bit, SYSCLK 168 MHz에서 ~25.5초 wrap. 짧은 timing 측정의 표준 도구입니다.

#5. Periodic task (deadline 누적)

1
static uint32_t next_run;
2

3
void task_100hz(void) {
4
    if ((int32_t)(g_jiffies - next_run) >= 0) {
5
        next_run += 10;   // 10 ms = 100 Hz
6
        do_work();
7
    }
8
}

next_run = g_jiffies + 10 (slip 발생)이 아니라 next_run += 10 (정확한 평균 주기 유지).

#측정 / 동작 확인

SysTick이 동작하는지는 LED 1초 toggle로 확인합니다.

1
uint32_t last = millis();
2
while (1) {
3
    if (millis() - last >= 1000) {
4
        last += 1000;
5
        GPIOA->ODR ^= (1u << 5);
6
    }
7
}

LED가 정확히 1Hz로 깜빡이면 tick이 1 ms로 들어오고 있다는 뜻입니다. 두 배 빠르거나 느리면 SYSCLK 계산 오류 — clock setup을 다시 봅니다.

오실로스코프로 SysTick 진입 시점을 보려면 ISR 첫 줄에 GPIO toggle을 넣습니다.

1
void SysTick_Handler(void) {
2
    GPIOA->BSRR = (1u << 5); GPIOA->BSRR = (1u << 21);
3
    g_jiffies++;
4
}

스코프 trigger를 PA5에 걸면 1 ms 주기 pulse가 보입니다. 주기가 다르면 reload 값이 잘못된 것입니다.

#자주 보는 함정

⚠️ g_jiffies에 volatile 누락

main에서 while (g_jiffies < target)이 영원히 false가 됩니다 (compiler가 첫 read를 캐싱).

⚠️ Reload 값을 ÷1000 안 함

SysTick->LOAD = 168000000으로 두면 1 Hz tick. 168000으로 두면 1 kHz. SystemCoreClock 변수가 현재 클럭과 일치하는지 확인합니다.

⚠️ Direct compare if (jiffies > deadline)

wrap 시점에 잘못된 비교. signed 차이로 비교합니다.

⚠️ delay_ms(0)이 한 cycle 도는 게 아니라 99% 1 ms 대기

g_jiffies - start = 0이라 첫 iter는 들어옵니다. 그러나 SysTick 발생 직전에 진입하면 0 ms로 끝나기도 합니다. 정확한 0 dwell이 필요하면 별도 처리.

⚠️ SysTick priority를 너무 높게

priority 0~4에 두면 다른 ISR이 SysTick에 의해 막힙니다. 일반적으로 가장 낮은 priority (예: 15)에 둡니다.

⚠️ Debugger break 후 timing 어긋남

break 동안 SysTick은 멈추지 않으므로 jiffies가 훨씬 늦은 값이 됩니다. 디버깅 후 reset 한 번 해서 baseline 맞춥니다.

#정리

• SysTick는 모든 Cortex-M의 표준 24-bit down-counter + IRQ.
• reload = SYSCLK / tick_hz - 1. 1 ms tick이 표준.
• g_jiffies는 volatile, timing 비교는 signed 차이로.
• µs 단위는 DWT cycle counter가 더 정확합니다.
• __WFI()로 wait — low power와 결합됩니다.

다음 편은 UART 드라이버입니다. polling·interrupt·DMA 세 방식을 모두 작성해 trade-off를 비교합니다.

#관련 항목

• 4-04: 클럭 설정
• 4-05: 인터럽트 핸들링
• 4-11: 저전력 모드
• 4-12: 워치독 (IWDG/WWDG)