【正点原子FPGA连载】第九章定时器中断实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

正点原子 · 发表于 2020-7-25 11:27:30

本帖最后由正点原子于 2020-10-24 10:22 编辑

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第九章定时器中断实验

定时器作为PS的重要组成部分，可以不受CPU的干预，自己独立运行，来完成计时、定时、中断以及计算来自MIO或EMIO引脚的信号脉冲宽度等。本章我们将向大家介绍定时器以及定时器中断的使用方法。
本章包括以下几个部分：
11.1简介
1.2实验任务
1.3硬件设计
1.4软件设计
1.5下载验证

简介
在ZYNQ嵌入式系统中，定时器的资源是非常丰富的，每个Cortex-A9处理器都有各自独立的32位私有定时器和32位看门狗定时器，这两个CPU同时共享一个64位的全局定时器（GT）。除此之外，PS中还有一个24位的系统看门狗定时器（SWDT）和两个TTC（Triple Timer Counters）。系统看门狗定时器可以在系统发生灾难性的故障时（如PS中的PLL工作异常）发出信号，使得系统程序重新启动，保证了系统安全可靠的运行。TTC用于计算来自MIO引脚或EMIO引脚的信号脉冲宽度，每个TTC都有三个独立的计数器。
定时器的系统框图如图 9.1.1所示：

图 9.1.1 定时器系统框图

图中的几种定时器都有连接到中断控制器（Interrupt Controller），我们可以很方便的使用定时器来完成定时器中断的实验。其中私有定时器（CPU Private Timer）是最为常用的，本次实验是基于私有定时器来完成定时器的中断实验。
私有定时器的时钟频率为CPU时钟频率的一半，如ARM的工作时钟频率为666.666Mhz，则私有定时器的时钟频率为333.333Mhz。私有定时器的特性如下：
1、32位计数器，当计数器递减至0后产生中断；
2、8位预分频计数器，可以更好的控制中断周期；
3、可以配置单次定时或者自动重载模式；
4、通过配置起始计数值来设置定时时间。
实验任务
本章的实验任务是通过定时器的中断，每200ms控制一次PS LED灯的亮灭。
硬件设计
从实验任务我们可以画出如下的系统框图，DDR3中存放和运行程序、Timer定时器产生定时中断、UART打印信息、MIO驱动LED外设。虽然本实验可以不需要UART控制器，不过为了方便打印一些信息，此处我们加上UART。

图 9.3.1 系统框图

由于ARM处理器自带了私有定时器，因此本次实验在搭建嵌入式系统时，不需要额外添加定时器，只需在ZYNQ嵌入式最小系统中添加UART和MIO。
首先创建Vivado工程，工程名为“timer_intr_led”，然后创建Block Design设计（system.bd）并添加ZYNQ7 Processing System模块。接下来按照《“Hello World”实验》中的步骤2-7、2-8分别配置PS的UART和DDR控制器，并移除PS中与PL端交互的接口信号，外设IO引脚配置界面如下图所示：

图 9.3.2 外设IO引脚配置界面

勾选UART0对应的引脚14和15，同时勾选GPIO MIO。
嵌入式系统最终搭建的框图如下：

图 9.3.3 嵌入式系统框图界面

软件设计
在将硬件导出至SDK，并打开SDK开发环境后，创建应用工程的步骤都是一样的，这里不再赘述，新创建的应用工程命名为timer_intr_led。
我们打开timer_intr_led_bsp目录下的system.mss文件，找到scutimer，可以看到定时器的文档和导入示例，如图 9.4.1所示：

图 9.4.1 system.mss文件

如果我们点击Import Examples，会弹出下图所示的导入示例界面，关于定时器有2个示例，如下图所示：

图 9.4.2 导入示例

感兴趣的朋友可以参考下官方提供的定时器例程，其中xscutimer_intr_example是定时器中断的示例。
这里我们不导入官方的例程，而是新建一个源文件。在timer/src目录上右键，选择New->Source File。在弹出的对话框中Source file一栏我们输入文件名“main.c”，然后点击“Finish”。
新建源文件之后，在左侧timer_intr_led/src目录下可以看到main.c文件，同时在主页面已经打开了该文件的文本编辑框。我们在新建的main.c文件中输入以下代码：

1 #include "xparameters.h"
2 #include "xscutimer.h"
3 #include "xscugic.h"
4 #include "xgpiops.h"
5 #include "xil_exception.h"
6 #include "xil_printf.h"
7
8 #define TIMER_DEVICE_ID XPAR_XSCUTIMER_0_DEVICE_ID //定时器ID
9 #define INTC_DEVICE_ID XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID //中断ID
10 #define TIMER_IRPT_INTR XPAR_SCUTIMER_INTR //定时器中断ID
11 #define GPIO_DEVICE_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID //宏定义 GPIO_PS ID
12 #define MIO_LED 0 //led连接到 MIO0
13
14 //私有定时器的时钟频率 = CPU时钟频率/2 = 333MHz
15 //0.2s闪烁一次,0.2*1000_000_000/(1000/333) - 1 = 3F83C3F
16 #define TIMER_LOAD_VALUE 0x3F83C3F //定时器装载值
17
18 XScuGic Intc; //中断控制器驱动程序实例
19 XScuTimer Timer; //定时器驱动程序实例
20 XGpioPs Gpio; //GPIO设备的驱动程序实例
21
22 //MIO引脚初始化
23 int mio_init(XGpioPs *mio_ptr)
24 {
25 int status;
26
27 XGpioPs_Config *mio_cfg_ptr;
28 mio_cfg_ptr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);
29 if (NULL == mio_cfg_ptr)
30 return XST_FAILURE;
31 status = XGpioPs_CfgInitialize(mio_ptr, mio_cfg_ptr,
32 mio_cfg_ptr->BaseAddr);
33 if (status != XST_SUCCESS)
34 return XST_FAILURE;
35
36 //设置指定引脚的方向： 0 输入， 1 输出
37 XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED, 1);
38 //使能指定引脚输出： 0 禁止输出使能， 1 使能输出
39 XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED, 1);
40 return XST_SUCCESS;
41 }
42
43 //定时器初始化程序
44 int timer_init(XScuTimer *timer_ptr)
45 {
46 int status;
47 //私有定时器初始化
48 XScuTimer_Config *timer_cfg_ptr;
49 timer_cfg_ptr = XScuTimer_LookupConfig(TIMER_DEVICE_ID);
50 if (NULL == timer_cfg_ptr)
51 return XST_FAILURE;
52 status = XScuTimer_CfgInitialize(timer_ptr, timer_cfg_ptr,
53 timer_cfg_ptr->BaseAddr);
54 if (status != XST_SUCCESS)
55 return XST_FAILURE;
56
57 XScuTimer_LoadTimer(timer_ptr, TIMER_LOAD_VALUE); // 加载计数周期
58 XScuTimer_EnableAutoReload(timer_ptr); // 设置自动装载模式
59
60 return XST_SUCCESS;
61 }
62
63 //定时器中断处理程序
64 void timer_intr_handler(void *CallBackRef)
65 {
66 //LED状态,用于控制LED灯状态翻转
67 static int led_state = 0;
68 XScuTimer *timer_ptr = (XScuTimer *) CallBackRef;
69 if(led_state == 0)
70 led_state = 1;
71 else
72 led_state = 0;
73 //向指定引脚写入数据： 0 或 1
74 XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED,led_state);
75 //清除定时器中断标志
76 XScuTimer_ClearInterruptStatus(timer_ptr);
77 }
78
79 //定时器中断初始化
80 void timer_intr_init(XScuGic *intc_ptr,XScuTimer *timer_ptr)
81 {
82 //初始化中断控制器
83 XScuGic_Config *intc_cfg_ptr;
84 intc_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);
85 XScuGic_CfgInitialize(intc_ptr, intc_cfg_ptr,
86 intc_cfg_ptr->CpuBaseAddress);
87 //设置并打开中断异常处理功能
88 Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
89 (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, intc_ptr);
90 Xil_ExceptionEnable();
91
92 //设置定时器中断
93 XScuGic_Connect(intc_ptr, TIMER_IRPT_INTR,
94 (Xil_ExceptionHandler)timer_intr_handler, (void *)timer_ptr);
95
96 XScuGic_Enable(intc_ptr, TIMER_IRPT_INTR); //使能GIC中的定时器中断
97 XScuTimer_EnableInterrupt(timer_ptr); //使能定时器中断
98 }
99
100 //main函数
101 int main()
102 {
103 int status;
104 xil_printf("SCU Timer Interrupt Test \r\n");
105
106 mio_init(&Gpio); //MIO引脚初始化
107 status = timer_init(&Timer); //定时器初始化
108 if (status != XST_SUCCESS) {
109 xil_printf("Timer Initial Failed\r\n");
110 return XST_FAILURE;
111 }
112 timer_intr_init(&Intc,&Timer); //定时器中断初始化
113 XScuTimer_Start(&Timer); //启动定时器
114
115 while(1);
116 return 0;
117 }

复制代码

在代码的第16行定义了定时器的装载值TIMER_LOAD_VALUE，定时器在运行时，初始值为定时器的装载值，当定时器的装载值递减至0后，产生中断，通过修改装载值的大小，来控制LED灯亮灭的时间。需要说明的是，私有定时器的时钟频率等于CPU时钟频率的一半，因此私有定时器的时钟频率约为333Mhz。
在程序的main函数中，首先对MIO引脚和定时器进行初始化。初始化完成后，函数返回初始化的结果，如果初始化失败，打印错误信息并返回；如果初始化成功，则开始执行定时器中断初始化函数（timer_intr_init），并启动定时器。最后主程序会一直停留在while无限循环，如代码中第100行至第117行代码所示。
在代码的第22行至第41行完成了对MIO引脚的初始化。在代码的第43行至第61行完成了对定时器的初始化。其中XScuTimer_LoadTimer函数设置定时器的装载值，输入的参数即为宏定义TIMER_LOAD_VALUE。XScuTimer_EnableAutoReload函数将定时器设置成自动装载模式，从而循环产生定时器的中断。
在代码的第79行至第98行完成了定时器中断的初始化。程序首先对中断控制器进行初始化，随后设置并打开中断异常处理的功能。接下来为定时器中断设置中断处理函数，通过XScuGic_Connect函数进行设置，这里设置的定时器中断处理函数为timer_intr_handler。XScuGic_Enable函数使能GIC中的定时器中断，XScuTimer_EnableInterrupt函数使能定时器中断。
在代码的第84行至第98行是定时器中断处理函数，由于定时器的装载值等于0x3F83C3F（十进制：66599999），CPU的时钟频率约为333Mhz，因此每隔200ms进入此中断函数。程序中定义一个静态变量led_state，用于控制LED灯的翻转。每进入一次中断函数，led_state的状态改变一次，并将led_state的值写入MIO_LED引脚，从而控制LED灯的亮灭。最后通过XScuTimer_ClearInterruptStatus函数来清除中断标志。
下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后在应用工程uart_intr_loop上右击，选择“Run As”，然后选择第一项“1 Launch on Hardware (System Debugger)”。
软件程序下载完成后，在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息“SCU Timer Interrupt Test”，如下图所示：

图 9.5.1 程序打印结果

接下来观察开发板，可以看到，核心板上的LED2（PS LED）每隔200ms亮灭一次，如图 9.5.2所示，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。

图 9.5.2 开发板实验现象

至此，定时器中断实验的讲解已经结束。最后，我们来教大家如何对代码进行调试。
在应用工程timer_intr_led上右击，选择“Debug As”，然后选择第一项“1 Launch on Hardware (System Debugger)”，如下图所示：

图 9.5.3 打开调试界面

如果出现下图所示的WARNING，直接点击“OK”按钮，如果不想以后再出现，可以勾
选“Do not show this warning again”。

图 9.5.4 WARING提示界面

在弹出的下图所示界面中，点击“Yes”按钮，如果不想以后再出现该界面，可以点击
“Remember my decision”。

图 9.5.5 确认进入调试界面

进入下图所示的调试界面，程序首先从main函数开始运行。

图 9.5.6 开始调试界面

图 9.5.6标注为1的位置是用于调试的工具栏；标注为2的位置可以观察程序中变量的值；标注为3的位置即为我们所要调试的代码，图中高亮的代码行就是接下来将要执行的代码。
我们来详细看下用于调试的工具栏界面，如下图所示：

图 9.5.7 工具栏

图 9.5.7标注为1的图标表示程序继续运行（Resume，快捷键F8）；标注为2的图标表示暂停（Suspend，只有程序在运行时才可以点击）；标注为3的图标表示单步执行（Step Info，快捷键F5）；标注为4的图标表示单步执行结束（Step Over，快捷键F6）；标注为5的图标表示执行完并返回（Step Return，快捷键F7）。同时，也可以点击菜单栏的Run，找到调试按钮，如下图所示：