ZYNQ入门实例——定时器中断与程序固化

作者:没落骑士
原文链接: https://www.cnblogs.com/moluoqishi/p/12441264.html

一、前言

  APU系统中CPU以串行执行代码的方式完成操作,软件方式很难做到精准计时,因此调用内部定时器硬件完成计时是更好的选择。本文以定时器中断方式控制LED周期性闪烁为例学习私有定时器的使用。同时学习如何将软件程序与硬件比特流文件一起固化到SD卡中,实现上电自动配置与启动自定义系统。

功能定义:通过定时器中断实现与MIO连接的单个LED每200ms变化依次电平,即点亮,200ms后熄灭,200ms后再次点亮,周期往复。

硬件平台:米联客Miz702N

软件工具:VIVADO 2017.4+SDK

二、硬件系统搭建

  私有定时器属于APU内部专用硬件资源,无需在VIVADO中做出配置。由于需要将软硬件系统固化到SD卡中,选择与SD控制器连接的I/O。

根据原理图,SD卡连接在MIO40~47,这也与UG585中的描述一致:

这里直接使用PWM产生呼吸灯效果工程中的硬件系统,可以更直观地观察出定时器控制LED与PWM控制LED互不影响。

 依然是重新产生输出文件、生成HDL Wrapper、RUN Synthesis、Run Implementation、Generate bitstream、export Hardware with bitfile、Launch SDK. 剩下的任务均在SDK中完成。

三、软件设计

  关于私有定时器使用方式,xilinx同样提供了文档和示例程序。

软件代码中使用的定时器相关函数均来自示例程序。使用私有定时器第一步当然是初始化配置,老套路调用XScuTimer_LookupConfig和XScuTimer_CfgInitialize两个函数。为了保证LED周期性闪烁,必须使能定时器的自动重载,这样每当计数器计数完成后会重新计数。之后最重要的是向定时器装载寄存器写入计数周期数值。实际上私有定时器是一个递减计数器,当从最大值递减到0时刻会产生定时器中断。如和将所要定时的时间长度换算为装载计数器周期数值呢?

  很简单,n=t/T=t*f即可算出装载数值,其中n、t和T分别指所要定时的时间和定时器工作时钟周期。因为定时器工作时钟频率一直是CPU工作时钟的一半,在本系统中即为333MHz。这个n=200*10^(-3)*333*10^6=666*10^5。计数器是N-1~0的计数方式,装载值在n的基础上减1,对应的十六进制数值是0x3F83C3F。

  装载完毕后调用XScuTimer_Start定时器随即开始工作。最后在定时器中断回调函数中对MIO进行反转操作就可以满足功能预期。另外,对之前PWM实现呼吸灯效果的工程做些改善,软件程序如下:

/*
* main.c
*
* Created on: 2020年2月22日
* Author: s
*/

#include "environment.h"

int main()
{
int Status;
u8 i=0;

freq_step_value = 10;

Status = gpiops_initialize(&GpioPs,GPIOPS_DEVICE_ID);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}

Status = gpio_initialize(&Gpio,GPIO_DEVICE_ID);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}

Status = timer_initialize(&TimerInstance,TIMER_DEVICE_ID);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/*
* Set the direction for the pin to be output and
* Enable the Output enable for the LED Pin.
*/
gpiops_setOutput(&GpioPs,MIO_OUT_PIN_INDEX);

for(i=0;i gpiops_setOutput(&GpioPs,EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i);
}

gpio_setDirect(&Gpio, 1,GPIO_CHANNEL1);

Status = setupIntSystem(&Intc,&Gpio,&TimerInstance,
INTC_GPIO_INTERRUPT_ID,TIMER_IRPT_INTR);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}

/*
* Enable Auto reload mode.
*/
XScuTimer_EnableAutoReload(&TimerInstance);

/*
* Load the timer counter register.
*/
XScuTimer_LoadTimer(&TimerInstance, TIMER_LOAD_VALUE);

/*
* Start the timer counter and then wait for it
* to timeout a number of times.
*/
XScuTimer_Start(&TimerInstance);

Status = pwm_led_setFreqStep(freq_step_value);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}

printf("Initialization finish.\n");

while(1){

for(i=0;i if(int_flag == 0)
{
gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i, 0x1);
usleep(200*1000);
gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i, 0x0);
}
else
{
gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+LOOP_NUM-1-i, 0x1);
usleep(200*1000);
gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+LOOP_NUM-1-i, 0x0);
}
}

}
return 0;
}

int setupIntSystem(XScuGic *IntcInstancePtr,XGpio *gpioInstancePtr,
XScuTimer * TimerInstancePtr,u32 gpio_IntrId,u32 timer_IntrId)
{
int Result;
/*
* Initialize the interrupt controller driver so that it is ready to
* use.
*/

Result = gic_initialize(&Intc,INTC_DEVICE_ID);
if (Result != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}

XScuGic_SetPriorityTriggerType(IntcInstancePtr, gpio_IntrId,
0xA0, 0x3);

/*
* Connect the interrupt handler that will be called when an
* interrupt occurs for the device.
*/
Result = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, gpio_IntrId,
(Xil_ExceptionHandler)GpioHandler, gpioInstancePtr);
if (Result != XST_SUCCESS) {
return Result;
}

Result = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, timer_IntrId,
(Xil_ExceptionHandler)TimerIntrHandler,
(void *)TimerInstancePtr);
if (Result != XST_SUCCESS) {
return Result;
}

/* Enable the interrupt for the GPIO device.*/
XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, gpio_IntrId);

/*
* Enable the GPIO channel interrupts so that push button can be
* detected and enable interrupts for the GPIO device
*/
XGpio_InterruptEnable(gpioInstancePtr,GPIO_CHANNEL1);
XGpio_InterruptGlobalEnable(gpioInstancePtr);

/*
* Enable the interrupt for the device.
*/
XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, timer_IntrId);
XScuTimer_EnableInterrupt(TimerInstancePtr);

/*
* Initialize the exception table and register the interrupt
* controller handler with the exception table
*/
exception_enable(&Intc);

IntrFlag = 0;

return XST_SUCCESS;
}

void GpioHandler(void *CallbackRef)
{
XGpio *GpioPtr = (XGpio *)CallbackRef;
u32 gpio_inputValue;

/* Clear the Interrupt */
XGpio_InterruptClear(GpioPtr, GPIO_CHANNEL1);
printf("gpio interrupt.\n");

//IntrFlag = 1;
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
switch(gpio_inputValue)
{
case 30:
//printf("button up\n");
usleep(5);
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
if(gpio_inputValue == 30){
freq_step_value = freq_step_value freq_step_value+10 : freq_step_value;
printf("%d\n",freq_step_value);
pwm_led_setFreqStep(freq_step_value);
}
break;
case 29:
//printf("button center\n");
usleep(5);
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
if(gpio_inputValue == 29){
freq_step_value = FREQ_STEP_SET_VALUE;
pwm_led_setFreqStep(freq_step_value);
}
break;
case 27:
//printf("button left\n");
usleep(5);
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
if(gpio_inputValue == 27)
int_flag = 0;
break;
case 23:
//printf("button right\n");
usleep(5);
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
if(gpio_inputValue == 23)
int_flag = 1;
break;
case 15:
//print("button down\n");
usleep(5);
gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
if(gpio_inputValue == 15){
freq_step_value = freq_step_value > FREQ_STEP_MIN ?
freq_step_value-10 : freq_step_value;
printf("%d\n",freq_step_value);
pwm_led_setFreqStep(freq_step_value);
}
break;
}

}

void TimerIntrHandler(void *CallBackRef)
{
XScuTimer *TimerInstancePtr = (XScuTimer *) CallBackRef;

XScuTimer_ClearInterruptStatus(TimerInstancePtr);

gpiops_outputValue(&GpioPs, MIO_OUT_PIN_INDEX, sys_led_out);
sys_led_out = sys_led_out == 0x0 ? 0x1 : 0x0;
}

main.c

/*
* timer.h
*
* Created on: 2020年3月5日
* Author: s
*/

#ifndef SRC_TIMER_H_
#define SRC_TIMER_H_

#include "xscutimer.h"

#define TIMER_DEVICE_ID XPAR_XSCUTIMER_0_DEVICE_ID
#define TIMER_IRPT_INTR XPAR_SCUTIMER_INTR

//333*n(ms)*10^3-1 = 333*5*1000-1 = 1664999 0x1967E7
#define TIMER_LOAD_VALUE 0x3F83C3F

int timer_initialize(XScuTimer * TimerInstancePtr,u16 TimerDeviceId);

#endif /* SRC_TIMER_H_ */

timer.h

/*
* timer.c
*
* Created on: 2020年3月5日
* Author: s
*/

#include "timer.h"

int timer_initialize(XScuTimer * TimerInstancePtr,u16 TimerDeviceId)
{
XScuTimer_Config *ConfigPtr;
/*
* Initialize the Scu Private Timer driver.
*/
ConfigPtr = XScuTimer_LookupConfig(TimerDeviceId);

/*
* This is where the virtual address would be used, this example
* uses physical address.
*/
return XScuTimer_CfgInitialize(TimerInstancePtr, ConfigPtr,
ConfigPtr->BaseAddr);
}

timer.c

相比原来的程序,在GpioHandler中添加了对freq_step_value最值的限制以及按键消抖延时。

四、程序固化

  本工程固化程序时要使用FAT文件系统,更改板级支持包设置,勾选xilffs库并重新生成BSP。

 在固化程序之前,了解CPU的启动过程是非常必要的,这部分概念主要来自UG585文档。在上电复位后,硬件逻辑会根据启动模式引脚的高低电平选择启动方式。

硬件一些初始化操作后执行CPU内部一个ROM中的代码来启动整个系统,这个ROM的名字叫BootROM。BootROM中的程序是第一个被CPU执行的代码,其主要任务是配置系统,并从boot device中拷贝系统镜像到OCM,配置DDR操作。

  Boot device可以是Quad-SPI,NAND,NOR或者SD卡。Boot device中存储的是boot image,其由BootROM Header和FSBL以及User Code组成,当然也可包括用于配置PL的bitstream和软件OS。软件boot分为三个阶段:

 其中FSBL起到组织作用,将PS部分软件生成的ELF文件和PL部分硬件bit文件组合在一起。该文件利用xilinx的FSBL示例工程生成,用户无需关注内部实现细节。

 创建工程后会自动编译并生成ELF文件。点击工具栏xilinx -> create boot image。按照如下顺序添加三个文件:fsdb.elf --> bit --> .elf

 create image后会生成对应的bin文件,也就是之前阐述的启动镜像。

我们将BOOT.bin文件拷贝到空的SD卡中,利用拨码开关配置Boot Mode MIO Strapping Pins从SD卡启动。上电后等待一段时间MIO连接的LED灯周期性闪烁,PWM呼吸灯频率与流水灯方向根据按键变换,系统正常工作,完成了定时器中断应用和程序固化。

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