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【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

2020-9-1 17:34:12 1582

0 1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板 2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?&id=606160108761 3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/FPGA/zdyz_linhanz.html 4）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：876744900 5）关注正点原子公众号，获取最新资料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,0.21000_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 rn"); 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 Failedrn"); 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：图 9.5.8 点击Run界面我们首先点击SDK Terminal窗口的界面，便于观察程序调试的结果，如下图所示：图 9.5.9 窗口打印界面接下来开始调试代码。点击Step Over图标或者按下快捷键F6来执行代码，执行结果如下图所示：图 9.5.10 窗口打印结果此时，执行完xil_printf函数，并在窗口中显示打印的结果。接下来点击Step Info图标或者按下快捷键F5，开始跳转至mio_init函数，如下图所示：图 9.5.11 进入mio_init函数如果此时想要迅速跳出mio_init函数，只需要点击Step Return图标或者按下快捷键F7，跳转结果如下图所示：图 9.5.12 跳出函数调试界面支持设置断点，直接双击行号前面蓝色区域的位置设置断点，再次按下可取消断点。如在第135行位置设置断点，双击第135行前面蓝色区域的位置，如下图所示：图 9.5.13 设置断点接下来点击Resume图标或者按下快捷键F8，程序可执行至断点位置，如下图所示：图 9.5.14 程序执行至断点处再次双击第135行前面蓝色区域的位置可取消断点。此时继续点击Resume图标或者按下快捷键F8，程序会一直执行下去，此时可以看到开发板上的LED2每隔两秒亮灭一次。如果想要暂停程序的执行，点击Suspend图标即可。如果要退出Debug界面，点击下图中的图标即可。图 9.5.15 退出Debug界面 0
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