【正点原子FPGA连载】第六章定时器中断实验--摘自【正点原子】达芬奇之Microblaze 开发指南

正点原子

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第六章定时器中断实验

前面已经介绍过利用AXI Uartlite中断通信的方法，本章实验将介绍另一个重要的IP核AXI Timer。AXI Timer具有AXI总线接口，能够产生不同时间周期和占空比的时钟、脉冲产生电路、产生与时间有关的中断和用于电机控制的脉宽调制信号。本章实验我们将介绍AXI Timer中断信号的使用。
本章包括以下几个部分：
66.1 简介
6.2实验任务
6.3硬件设计
6.4程序设计
6.5下载验证
6.1
简介
AXI Timer IP核提供了一个AXI4 Lite接口用于与处理器通信；它内部有两个可编程的定时器，具有中断、事件生成和事件捕获功能，用户可根据自身需求选择8、16、32位定时器的计数宽度；通过对两个定时器联合操作，可以输出一个脉宽调制信号，我们可以通过该信号控制一些外设，如LED等；我们也可以对两个32位宽的定时器进行级联操作，生成一个64位宽的定时器；在软件调试期间冻结停止计数器的输入。
下图是AXI Timer IP核的结构框图：

图 6.1.1 AXI Timer IP核的结构框图

下面我们将介绍下各个模块的功能：
AXI4-Lite Interface（AXI4-Lite接口）：该AXI4-lite接口模块被设计成AXI4-lite从接口，用于访问内存映射的定时器寄存器，我们也可以通过该接口对各个寄存器模块进行配置。
Timer Registers（定时器寄存器）：该模块是一组32位寄存器。这组寄存器包含加载寄存器（Load Register）、定时器/计数器寄存器和控制/状态寄存器（Control/Status Registers）。加载寄存器保存用于事件生成的计数器的初始值或捕获值。控制/状态寄存器包含定时器模块的控制位和状态位。
32-bit Counters（32位寄存器）：定时器/计数器模块有两个32位计数器，每个计数器可设置为递增或递减计数，并可从加载寄存器中加载一个值。
Interrupt Control（中断控制）：中断控制模块根据操作模式生成单个中断。
Pulse Width Modulation (PWM，脉宽调制)：PWM模块能够产生具有指定频率和占空比的脉冲信号PWM0。它使用Timer0作为PWM0周期，Timer1作为PWM0输出宽度。
6.2实验任务
本章的实验任务是通过定时器产生中断，控制LED灯闪烁。
6.3硬件设计
从实验任务我们可以画出如下的系统框图：

图 6.3.1 系统框图

本次实验，AXI Timer产生中断，MicroBlaze处理器通过中断控制器的中断请求信号控制LED闪烁，AXI UART打印处理器发送的信息。
本次的硬件设计我们在《Hello World》实验的基础上进行，我们打开《Hello World》实验中的Vivado工程“hello world”，打开后在菜单栏中依次点击“File->Project->Save As...”，将工程名改为“axi_timer_intr”，工程路径保持不变。
在Flow Navigator中，点击IP INTEGRATOR下的“Open Block Design”，在Diagram界面添加一个AXI GPIO IP核，并将其位宽设置为4；一个AXI INTC IP核；然后添加AXI Timer IP核，如图 6.3.2所示：

图 6.3.2 添加AXI Timer

双击打开AXI Timer，进入配置页面，由于我们本次实验只是用定时器中断功能，因此不需要对Capture（捕获）、Generate（生成）进行配置，我们直接点击“OK”，图 6.3.3是AXI Timer配置界面。

图 6.3.3 AXI Timer配置界面

这里我们简单介绍下该界面中个选项的作用。
Enable 64-bit mode（使能64位模式）：选择该选项后AXI Timer的两个32定时器会被级联成一个64位寄存器，选用该模式后，Enable Timer2选项会被禁用。一般情况下我们都是使用32位模式就可以了，只有在需要的寄存器超过了32位才用该模式。
Width of the Timer/Counter（定时器/计数器位宽）(bits)：根据用户需求选择8、16、32位计数位宽。
Active state of Capture Trigger（捕获触发器的活动状态）：该选项可以设置捕获活动高信号还是活动低信号。
Active state of Generate Out signal（生成输出信号的活动状态）：此选项可以设置生成的信号是高还是低。
Enable Timer2（使能定时器2）：该选项可以打开定时器2，定时器2的捕获和生成两处的配置方法与定时器1相同，但可以独立配置。
接下来点击“Run Connection Automation”按钮，在弹出的页面选中所有信号，点击“OK”，完成连线，如图 6.3.4所示：

图 6.3.4 自动连线

连线完成后可以点击“Regenerate Layout”按钮重新布局，以便观察布局布线，然后将gpio_rtl_0改为“LED”。
将AXI Timer的interrupt接口与AXI Interrupt Controller的intr[0:0]接口连接，将AXI Interrupt Controller的interrupt接口与MicroBlaze的INTERRUPT接口连接，如图 6.3.5所示：

图 6.3.5 连接中断信号

最后整体的布局如图 6.3.6所示：

图 6.3.6 最终布局视图

到这里我们的Block Design就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl+S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。
然后我们双击打开Sources目录下的system_wrapper.xdc，添加约束信息，管脚约束代码如下：

1. create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]
   
2. set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk]
   
3. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]
   
4. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_rst_n]
   
5. set_property PACKAGE_PIN U2 [get_ports sys_rst_n]
   
6. 
   
7. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports UART_rxd]
   
8. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports UART_txd]
   
9. set_property PACKAGE_PIN U5 [get_ports UART_rxd]
   
10. set_property PACKAGE_PIN T6 [get_ports UART_txd]
    
11. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led_tri_io[3]}]
    
12. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led_tri_io[2]}]
    
13. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led_tri_io[1]}]
    
14. set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led_tri_io[0]}]
    
15. set_property PACKAGE_PIN Y2 [get_ports {led_tri_io[3]}]
    
16. set_property PACKAGE_PIN V2 [get_ports {led_tri_io[2]}]
    
17. set_property PACKAGE_PIN R3 [get_ports {led_tri_io[1]}]
    
18. set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports {led_tri_io[0]}]

复制代码

最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
在生成Bitstream之后，在菜单栏中依次点击“File->Export->Export hardware”导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”，在导出路径最后添加“/vitis”。然后在菜单栏依次点击“Tools->Launch Vitis”，启动Vitis软件。
6.4软件设计
在将硬件导出至Vitis，并打开Vitis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“axi_timer_intr”。
我们打开system_wrapper目录下的platform.spr文件，找到axi_timer_0，可以看到定时器的文档和导入示例，如图 6.4.1所示：

图 6.4.1 platform.spr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7个示例，根据施压你任务，我们选择第三个实例，如图 6.4.2所示：

图 6.4.2 导入示例

我们将根据官方实例来设计本次实验的软件部分。
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，依次点击“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axi_timer_intr/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. 1  #include <stdio.h>
   
2. 2  #include "xparameters.h"
   
3. 3  #include "xintc.h"
   
4. 4  #include "xtmrctr.h"
   
5. 5  #include "xil_exception.h"
   
6. 6  #include "xgpio.h"
   
7. 7  #include "xil_printf.h"
   
8. 8  
   
9. 9  #define LED_DEV_ID          XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID   //LED ID
   
10. 10 #define INTC_ID             XPAR_INTC_0_DEVICE_ID   //中断控制器ID
    
11. 11 #define TMRCTR_DEVICE_ID    XPAR_TMRCTR_0_DEVICE_ID //定时器中断ID
    
12. 12
    
13. 13 #define TMRCTR_INTR_ID  XPAR_INTC_0_TMRCTR_0_VEC_ID //定时中断ID
    
14. 14
    
15. 15 #define XIL_EXCEPTION_ID_INT    16U                 //中断异常ID
    
16. 16
    
17. 17 #define LED_Channel     1
    
18. 18
    
19. 19 XIntc    Intc;     //中断控制器实例
    
20. 20 XGpio    led_gpio; //LED实例
    
21. 21 XTmrCtr  Timer;    //定时器实例
    
22. 22
    
23. 23 void timer_intr_hander(void *InstancePtr);
    
24. 24
    
25. 25 int main(){
    
26. 26     print ("timer interrupt test\n");
    
27. 27     //初始化LED
    
28. 28     XGpio_Initialize(&led_gpio, LED_DEV_ID);
    
29. 29     //为指定的GPIO信道设置所有独立信号的输入/输出方向
    
30. 30     XGpio_SetDataDirection(&led_gpio, 1, 0);
    
31. 31     //设置LED初始值
    
32. 32     XGpio_DiscreteWrite(&led_gpio, 1, 0x0f);
    
33. 33     //定时器初始化
    
34. 34     XTmrCtr_Initialize(&Timer, TMRCTR_DEVICE_ID);
    
35. 35     //为指定的计时器启用指定的选项。
    
36. 36     XTmrCtr_SetOptions(&Timer, 0,XTC_INT_MODE_OPTION |    //中断操作
    
37. 37                                  XTC_AUTO_RELOAD_OPTION | //自动加载
    
38. 38                                  XTC_DOWN_COUNT_OPTION);  //递减计数
    
39. 39
    
40. 40     //设置指定计时器的重置值
    
41. 41     XTmrCtr_SetResetValue(&Timer, 0, 50000000);
    
42. 42     //设置计时器回调函数，指定的计时器满一个周期时驱动程序将调用该回调函数
    
43. 43     XTmrCtr_SetHandler(&Timer, timer_intr_hander,&Timer);
    
44. 44     //开启定时器
    
45. 45     XTmrCtr_Start(&Timer, 0);
    
46. 46     //中断控制器初始化
    
47. 47     XIntc_Initialize(&Intc, INTC_ID);
    
48. 48     //关联中断源和中断处理函数
    
49. 49     XIntc_Connect(&Intc, TMRCTR_INTR_ID,
    
50. 50                  (XInterruptHandler)XTmrCtr_InterruptHandler,&Timer);
    
51. 51     //开启中断控制器
    
52. 52     XIntc_Start(&Intc, XIN_REAL_MODE);
    
53. 53     //使能中断控制器
    
54. 54     XIntc_Enable(&Intc, TMRCTR_INTR_ID);
    
55. 55         //设置并打开中断异常处理
    
56. 56     Xil_ExceptionInit();
    
57. 57         Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
    
58. 58                 (Xil_ExceptionHandler)XIntc_InterruptHandler,
    
59. 59                 &Intc);
    
60. 60         Xil_ExceptionEnable();
    
61. 61
    
62. 62     while(1);
    
63. 63 }
    
64. 64
    
65. 65 void timer_intr_hander(void *InstancePtr)  //回调函数
    
66. 66 {
    
67. 67     static int led_state = 0x00;
    
68. 68     //检测定时器是否满一个计数周期
    
69. 69     if (XTmrCtr_IsExpired(&Timer, 0)){
    
70. 70         led_state = ~led_state;                       //LED状态翻转
    
71. 71         XGpio_DiscreteWrite(&led_gpio, 1, led_state); //输出LED值
    
72. 72     }
    
73. 73 }

复制代码

代码第28到32行我们完成了对AXI GPIO的设置，接着代码第34到45行我们对定时器进行了一系列设置。代码第34行对AXI Timer初始化；代码第36到39行XTmrCtr_SetOptions函数为指定的定时器计数器（32bit计数器）启用指定的操作，在本次实验中，我们指定了XTC_INT_MODE_OPTION（启用中断控制）、XTC_AUTO_RELOAD_OPTION（自动加载操作）和XTC_DOWN_COUNT_OPTION（递减计数操作）三种操作。我们在XTmrCtr_SetOptions函数中设置了这三种操作，当定时器启用后，计数器就从生成值开始递减计数，计数到0时产生中断并重新从加载计数器中加载生成值，如此循环产生中断。代码第41行设置生成值，这里我们设为50000000，即0.5秒（由于处理器时钟频率为100M）。代码第43行设置回调函数，当指定的定时器满一个周期时驱动程序将调用该回调函数。代码第45行启动指定的定时器。
接下来代码第47到59行就是设置中断系统和中断异常处理，这两部分内容和之前的实验基本相同，需要注意的是，这里XIntc_Connect函数关联的中断处理函数不再是我们自定义的服务函数，而是官方提供的一个服务函数。
代码第64到70行就是我们在代码第43行指定的一个回调函数。当我们指定的定时器产生中断后，中断服务函数调用该回调函数。此时检测定时器是否计满一个计数周期，当定时器满一个周期后，LED翻转一次，并向AXI GPIO写入LED的值，如代码第68行所示。
保存main.c并编译工程。
6.5下载验证
首先我们将下载器与达芬奇开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用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。
打开Vitis的Terminal，然后开始下载程序，软件程序下载完成后，在下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息如图 6.5.1所示：

图 6.5.1 程序打印结果

并且观察到开发板上LED闪烁。实验结果图如下：

图 6.5.2 LED灯闪烁

6.6代码调试
代码调试之前，先要把Terminal关掉，否则在调试界面串口（Vitis Serial Terminal）中无法打印出信息。
打开调试界面：鼠标右击应用工程axi_timer_intr，选择“Debug As”，然后选择第一项“1 Launch on Hardware (System Debugger)”，如图 6.6.1所示：

图 6.6.1 打开调试界面

如果出现下图所示的WARNING界面，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 6.6.2 WARNING提示界面

进入图 6.6.3所示的调试界面，程序首先从main 函数开始运行。

图 6.6.3 调试界面

图 6.6.3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。
请详细观察用于调试的工具栏界面，如图 6.6.4所示：

图 6.6.4 调试工具栏

图 6.6.4标注为1的按钮表示程序继续运行（Resume，快捷键F8）；标注为2的按钮表示暂停（Suspend，只有程序在运行时才可以点击）；标注为3的按钮表示单步执行（Step Into，快捷键F5）；标注为4的按钮表示单步执行结束（Step Over，快捷键F6）；标注为5的按钮表示执行完并返回（Step Return，快捷键F7）。
首先点击Vitis Serial Terminal 窗口的界面，接着点击右侧的红色框内的“+”按钮来连接串口，便于观察程序调试的结果。串口连接完毕后如图 6.6.5所示：

图 6.6.5 Vitis Serial Terminal

接下来开始调试代码。
分别双击行数25、26，设置两个断点（再次双击即可取消断点）。如图 6.6.6所示：

图 6.6.6 设置两处断点

点击“Step Over”图标或者按下快捷键 F6 来执行代码，高亮部分到28行时，说明前两个断点已经执行完毕，会在串口会打印信息。执行结果如图 6.6.7所示：

图 6.6.7 断点执行完毕

点击“Step Into”图标或者按下快捷键F5，开始跳转至XGpio_Initialize函数，如图 6.6.8所示：

图 6.6.8 执行XGpio_Initialize函数

可以继续点击“Step Into”图标查看代码，若想要立刻跳出XGpio_Initialize函数，只需要点击“Step Return”图标或者按下快捷键 F7，即跳出该函数准备执行XGpio_SetDataDirection函数。跳转结果如图 6.6.9所示：

图 6.6.9 跳出XGpio_Initialize函数

继续点击“Step Over”执行程序。待程序执行完32行的XGpio_DiscreteWrite函数后，开发板上的LED灯会全部被点亮。
点击“Resume”或者按下快捷键F8，程序一直执行下去。待整体程序执行完62行后，将看不到深色部分，同时可以观察到开发板上的LED灯不停地闪烁。
如果想要暂停执行，点击“Suspend”图标即可，重新点击“Resume”即可继续执行程序。
待程序调试完毕，点击右上角红色框内按钮即可回到退出调试回到Design界面。如图 6.6.10所示：

图 6.6.10 退出调试