ZYNQ-定时器中断使用

学习内容

本文首先介绍了ZYNQ的定时器的相关内容，并学习使用ZYNQ芯片中的定时器进行操作测试。

开发环境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2开发板。

定时器简介

介绍

ZYNQ有两个Cortex-A9处理器，每个Cortex-A9处理器都有自己的专用32位计时器和32位看门狗计时器。 两个都处理器共享一个全局64位计时器。 这些计时器始终以1/2的CPU频率计时（CPU_3x2x）。
在系统层级，有一个24位看门狗定时器和两个16位三重定时器/计数器。系统看门狗定时器的时钟频率为CPU频率（CPU_1x）的1/4或1/6，时钟也可以由来自MIO引脚或PL的外部信号。两个三重计时器/计数器时钟频率为在CPU频率（CPU_1x）的1/4或1/6，可以用于计算来自MIO引脚或来自PL的脉冲宽度。

系统框图

下图为ZYNQ内部的定时器的系统框图。

在图中显示，定时器部分包括系统看门狗、CPU内部的看门狗定时器，CPU私有的定时器，全局定时器，三重定时器。其中所有的定时器都可以触发中断控制器进行中断控制的操作，看门狗定时器（无论是系统 的还是CPU内部的）都可以对系统进行一个复位操作。

CPU私有定时器和看门狗定时器

关于CPU私有定时器和看门狗定时器均具有以下功能：

1. 32位计数器，在达到零时会产生中断
2. 八位预分频器，可以更好地控制中断周期
3. 可配置的单次或自动重装模式
4. 计数器的可配置起始值
5. 定时器和看门狗复位信号发送到PS复位子系统
6. 所有私有计时器和看门狗计时器始终以CPU频率（CPU_3x2x）的1/2计时。

下图为CPU私有定时器和看门狗定时器寄存器表：

全局定时器（GT）

全局定时器是具有自动递增功能的64位递增计数器。 全局计时器在与专用计时器相同的地址空间中映射到内存中。 全局计时器仅在复位时以安全状态访问。 所有Cortex-A9处理器均可访问全局计时器。 每个Cortex-A9处理器都有一个64位比较器，用于在全局计时器达到比较器值时声明一个私有中断。全局定时器始终以CPU频率（CPU_3x2x）的1/2计时。
全局定时器（GT）寄存器功能表如下图：

系统看门狗定时器（SWDT）

除了两个CPU私有看门狗定时器之外，还有一个系统看门狗定时器（SWDT），可以在系统发生故障时，如PS PLL锁相失败，此时看门狗可以产生一个复位信号让程序重启，从而保证系统正常运行。 与CPU私有看门狗定时器不同的是，SWDT的时钟可以来自于外部设备或者PL端，用于提供一个复位信号输出到PL端口或者外部设备。

特征

SWDT的主要功能如下：

1. 内部24位计数器。
2. 可选时钟输入，时钟信号可以来自：1. 内部PS总线时钟（CPU_1x）；2. 内部时钟（来自PL）；3. 外部时钟（来自MIO）。
3. 计时超时时，可以进行系统中断（PS）和系统重置（PS，PL，MIO）。
4. 可编程超时时间：1. 超时范围32,760至68,719,476,736个时钟周期（在100 MHz时可配置范围为330 µs至687.2s）。
5. 超时时，可编程的输出信号持续时间：系统中断脉冲（4、8、16或32个时钟周期（CPU_1x时钟））。

系统看门狗定时器寄存器功能表如图：

编程指南

系统看门狗定时器使能顺序如下：

1. 使用slcr.WDT_CLK_SEL [SEL]位选择时钟输入源 ：确保禁用SWDT（swdt.MODE [WDEN] = 0），并且将时钟输入源设置为选定的正在运行，然后继续此步骤。 更改时钟输入源时，启用SWDT会导致无法预测的行为。 时钟输入源更改为非运行时钟导致APB访问挂起。
2. 设置超时时间（计数器控制寄存器） ：swdt.CONTROL [CKEY]字段必须为0x248，才能写入此寄存器。
3. 启用计数器； 使能输出脉冲 ； 设置输出脉冲长度（零模式寄存器）：swdt.MODE [ZKEY]字段必须为0xABC，才能写入此寄存器。 确保IRQLN符合指定的最小值。
4. 要使用其他设置运行SWDT，请首先禁用定时器（swdt.MODE [ZKEY]位）。 然后重复上述步骤。

三重计时器（TTC）

TTC包含三个独立的计时器/计数器。 PS端中有两个TTC模块，总共六个计时器/计数器。 可以使用 nic301_addr_region_ctrl_registers.security_apb [ttc1_apb]寄存器位将TTC 1控制器配置为安全或非安全模式。 TTC控制器中的三个计时器具有相同的安全状态。

特征

每个三重计时器/计数器都具有以下特征：

1. 三个独立的16位预分频器和16位向上/向下计数器。
2. 可选时钟输入，来自：1. 内部PS总线时钟（CPU_1x）；2. 内部时钟（来自PL）；3. 外部时钟（来自MIO）。
   •每个计数器有一个中断。
   •可以产生溢出中断，定时中断或计数中断，可编程初始值。
   •可以生成通过MIO到PL的波形输出（例如PWM）。

三重计时器/计数器寄存器功能表如图：

计数器编程启用顺序

1. 选择时钟输入源，设置预分频值。（slcr.MIO_MUX_SEL寄存器，TTC时钟控制）在继续执行此操作之前，请确保已禁用TTC（ttc.Counter_Control_x [DIS] = 1）。
2. 设置间隔值（间隔寄存器）。 此步仅适用于间隔模式。（可选不配置）
3. 设置匹配值（匹配寄存器）。 如果要启用匹配，可以配置此操作。（可选不配置）
4. **使能中断（中断使能寄存器）。**如果要启用中断，可以配置此操作。（可选不配置）
5. 启用/禁用波形输出，启用/禁用匹配，设置计数方向，设置模式，使能计数器（TTC计数器控制寄存器）。 此步骤完成后将启动计数器。

计数器编程停止顺序

1. 读回计数器控制寄存器的值。
2. 将DIS位设置为1，同时保留其他位。
3. 写回计数器控制寄存器。

计数器编程重启顺序

1. 读回计数器控制寄存器的值。
2. 将RST位设置为1，同时保留其他位。
3. 写回计数器控制寄存器。

事件计时器启用序列

1. 选择外部脉冲源（slcr.MIO_MUX_SEL寄存器）。选定外部待测脉冲。
2. 设置溢出处理，选择外部脉冲电平，启用事件计时器（事件控制计时器寄存器）。 此步骤开始测量外部所选电平（高或低）的宽度脉冲。
3. 使能中断（中断使能寄存器）。 如果要启用中断，可以配置此操作。（可选不配置）
4. 读取测量的宽度（事件寄存器）。

中断清除和应答序列

1. 读取中断寄存器：读取时清除中断寄存器中的所有位。

系统框图

本次工程系统框图如下图所示。

调用UART、TIMER、GPIO资源进行开发设计，UART串口引脚直接连接到MIO，GPIO引脚连接到PL端的EMIO引脚，由ARM核进行配置定时器中断操作，实现定时中断进行流水灯操作。

硬件平台搭建

新建工程，创建 block design。添加ZYNQ7 ip，根据本次工程需要对IP进行配置。勾选本次工程使用的资源。

硬件系统构建完成如下：

然后我们进行generate output product 然后生成HDL封装。这里用到了UART和GPIO，所以需要进行管脚分配。这里使用的是PYNQZ2开发板，该板卡可直接引用以下约束文件：

#LEDs
set_property -dict {
      PACKAGE_PIN R14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {
      EMIO_LED_tri_io[0] }]; #IO_L6N_T0_VREF_34 Sch=led[0]
set_property -dict {
      PACKAGE_PIN P14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {
      EMIO_LED_tri_io[1] }]; #IO_L6P_T0_34 Sch=led[1]
set_property -dict {
      PACKAGE_PIN N16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {
      EMIO_LED_tri_io[2] }]; #IO_L21N_T3_DQS_AD14N_35 Sch=led[2]
set_property -dict {
      PACKAGE_PIN M14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {
      EMIO_LED_tri_io[3] }]; #IO_L23P_T3_35 Sch=led[3]

完成约束后，进行综合和布局布线，生成bit流，然后点击导出硬件资源（包含bit流文件），接着launch SDK。

SDK软件部分

打开SDK后，新建application project。
在system.mss中可以打开相关参考文档辅助设计。

可以选择timer中断的例程进行参考设计，导入uart_intr_example例程模板，

在main.c中输入以下代码：

#include 
#include "xparameters.h"
#include "xscutimer.h"
#include "xscugic.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xil_printf.h"
//声明定义
#define GPIO_ID             XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID
#define TIMER_ID            XPAR_PS7_SCUTIMER_0_DEVICE_ID
#define INTR_DEVICE_ID      XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define TIMER_IRPT_INTR		XPAR_SCUTIMER_INTR

#define LOAD_VALUE 0X9AF8D9F//0.5s流水 系统时钟650M  定时器时钟325M 周期3ns

#define LED0 54
#define LED1 55
#define LED2 56
#define LED3 57

//声明示例结构体
XGpioPs GpioPs;
XScuTimer Timer;
XScuGic ScuGic;

//函数定义
void Emio_init();
void Timer_init();
void Timer_intr_init(XScuGic *intr, XScuTimer *time);
void Timer_IntrHandler(void *CallBackRef);
int main(){
     
	//EMIO初始化
	Emio_init();
	//初始化定时器
	Timer_init();
	//初始化中断
	Timer_intr_init(&ScuGic,&Timer);
	//启动定时器
	XScuTimer_Start(&Timer);
	while(1);
	return 0;
}

void Emio_init(){
     
	XGpioPs_Config *XGpioPs_Cfg;
	XGpioPs_Cfg = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_ID);
	XGpioPs_CfgInitialize(&GpioPs,XGpioPs_Cfg,XGpioPs_Cfg->BaseAddr);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&GpioPs,LED0,0x01);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&GpioPs,LED0,0x01);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&GpioPs,LED1,0x01);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&GpioPs,LED1,0x01);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&GpioPs,LED2,0x01);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&GpioPs,LED2,0x01);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&GpioPs,LED3,0x01);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&GpioPs,LED3,0x01);
}

void Timer_init(){
     
	int Status;
	XScuTimer_Config *ConfigPtr;
	//初始化定时器
	ConfigPtr = XScuTimer_LookupConfig(TIMER_ID);
	XScuTimer_CfgInitialize(&Timer, ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddr);
	//定时器自检测
	Status = XScuTimer_SelfTest(&Timer);
	if (Status != XST_SUCCESS) {
     
		printf("timer selftest failed!\n");
	}
	printf("timer selftest success!\n");
	//装载初值
	XScuTimer_LoadTimer(&Timer, LOAD_VALUE);
	//使能自动装载模式
	XScuTimer_EnableAutoReload(&Timer);
}

void Timer_intr_init(XScuGic *intr, XScuTimer *time){
     
	XScuGic_Config *IntcConfig;
	//初始化定时器中断
	IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTR_DEVICE_ID);
	XScuGic_CfgInitialize(intr,IntcConfig,IntcConfig->CpuBaseAddress);
	//初始化中断异常函数
	Xil_ExceptionInit();
	Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_IRQ_INT,
			(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,
			intr);
	Xil_ExceptionEnable();
	//设置中断服务函数
	XScuGic_Connect(intr, TIMER_IRPT_INTR,
					(Xil_ExceptionHandler)Timer_IntrHandler,
					(void *)time);
	//使能中断控制器
	XScuGic_Enable(intr, TIMER_IRPT_INTR);
	//使能定时器
	XScuTimer_EnableInterrupt(time);

}
//中断处理函数
void Timer_IntrHandler(void *CallBackRef){
     
	static char led_status=0x01;
	XScuTimer *TimerInstancePtr = (XScuTimer *) CallBackRef;
	if(XScuTimer_IsExpired(TimerInstancePtr)){
     
		led_status = led_status<<1;
		if(led_status == 0X10)
			led_status =0x01;
		XGpioPs_WritePin(&GpioPs,LED0,led_status);
		XGpioPs_WritePin(&GpioPs,LED1,led_status>>1);
		XGpioPs_WritePin(&GpioPs,LED2,led_status>>2);
		XGpioPs_WritePin(&GpioPs,LED3,led_status>>3);
		XScuTimer_ClearInterruptStatus(TimerInstancePtr);
	}
}

部分代码讲解

在主函数中引用了Emio_init();、Timer_init();、Timer_intr_init(&ScuGic,&Timer);
分别完成初始化GPIO操作，初始化定时器，初始化中断定时器等操作。最后用XScuTimer_Start(&Timer);启动定时器。

对于定时器初始化设置主要要对计数模式进行设置，对初始值进行装载配置
也就是调用下面的函数：

	//装载初值
	XScuTimer_LoadTimer(&Timer, LOAD_VALUE);
	//使能自动装载模式
	XScuTimer_EnableAutoReload(&Timer);

这里LOAD_VALUE表示需要计时或者计数的次数，因为这里的代码实现的是led的0.5s定时中断，系统CPU时钟为650M，所以定时器的时钟频率为325M，也就是周期为3.07ns，计算0.5s下的计数次数得到这里需要装载的初值。（也即为0X9AF8D9F）

Reference

1. UG585
2. 正点原子ZYNQ开发视频