GPT定时器实现高精度延时—基于I.MX6UL嵌入式SoC

1、前言

在前面的文章《EPIT定时器中断实现—基于I.MX6UL嵌入式SoC》中，链接如下：

https://www.cnblogs.com/Cqlismy/p/12977491.html

介绍了EPIT定时器的基本概念以及使用思路，EPIT的全称为Enhanced Periodic Interrupt Timer，也就是增强型的周期中断定时器，它是一个32bit的定时器，主要用来完成周期性定时功能的，在嵌入式开发中，定时器是比较常用的外设，本文将继续了解I.MX6UL嵌入式SoC中功能更强大的GPT定时器。

2、GPT定时器基本概述

GPT的全称为General Purpose Timer，也就是通用定时器，该类定时器具有一个32bit递增的计数器，通过使用外部引脚的事件，定时器的计数值可以在相关的寄存器中被捕获，捕获触发的条件可以设置为上升沿或者下降沿，GPT定时器的计数值还能和指定的编程值进行比较，当值相等时，能发生比较事件，产生比较中断，GPT定时器还具有1个12位的预分频器，多路时钟源选择，通过12bit的分频器，能够选择合适的定时器计数频率，GPT定时器的特性如下：

• 一个带有多路时钟源选择的32bit递增计数器；
• 具有两路可编程触发沿的输入捕获通道；
• 具有三路可编程输出模式的输出比较通道；
• 在低功耗以及调试模式下可以编程为活动状态；
• 捕获、比较以及溢出状态时都能产生中断；
• 计数器能设置为Restart或者free-run模式运行。

 GPT定时器的多路时钟源选择如下：

可以看到，总共有5路时钟源选择，分别为ipg_clk_24M、ipp_ind_clkin、ipg_clk、ipg_clk_32k以及ipg_clk_highfreq，常用的GPT定时器时钟源为ipg_clk（外设时钟）。

GPT定时器的内部结构框图如下所示：

图中各部分标号的含义为：

• 为GPT定时器的多路选择时钟源，可以选择ipg_clk为定时器的时钟源输入；
• 时钟源的12bit预分频器，通过相关寄存器可以设置为0~4095，对应着时钟1~4096分频；
• 32bit的定时器递增计数器；
• 定时器输入捕获通道1；
• 定时器输入捕获通道2；
• 输出比较寄存器，总共有3路输出比较通道；
• 3路输出比较中断，当计数器的值达到比较值后，能触发输出比较中断。

 GPT定时器能够被编程运行在两种工作模式，分别是Restart和Free-Run模式，这两种工作模式的区别如下：

• Restart模式：该工作模式可以通过GPTx_CR寄存器进行配置，在该模式下，当计数值达到比较值后，计数器将复位并从0x0000_0000重新开始计数，重新启动功能仅仅与比较通道1相关联，对通道1的比较寄存器进行任何写访问都将复位计数器；
• Free-Run模式：当计数器工作在Free-Run模式时，当3个比较通道发生比较事件后，计数器将不会进行重启，相反，计数器将会继续计数直到0xFFFF_FFFF，然后进行翻转变为0x0000_0000。

GPT定时器具有10个用户可以访问的32bit寄存器，这些寄存器能用来配置、操作以及监测GPT定时器的状态，接下来，对一些常用的寄存器进行讲解：

首先是GPTx_CR寄存器，也叫做GPT控制寄存器，该寄存器的相关位描述如下：

GPTx_CR寄存器中重要的bit如下：

SWR(bit15)：软件复位GPT定时器，向该bit写1能够复位定时器，定时器复位完成后，该bit自动清0；

FRR(bit9)：GPT定时器的运行模式选择，该bit设置为0时，GPT运行在Restart模式，该bit设置为1时，GPT运行在Free-Run模式；

CLKSRC(bit[8:6])：GPT定时器时钟源选择bit，能够配置的选项如下：

CLKSRC(bit[8:6])	时钟源
000	时钟关闭
001	Peripheral Clock
010	High Frequency Reference Clock
011	External Clock
100	Low Frequency Reference Clock
others	Reserved

ENMOD(bit1)：GPT定时器使能模式bit，该bit设置为0时，当GPT定时器关闭时，将会保存计数器中的值，该bit设置为1时，当GPT定时器关闭时，计时器中的值将会被清0；

EN(bit0)：GPT定时器使能bit，该bit设置为0时，定时器关闭，该bit设置为1时，定时器开启。

接下来，则是GPTx_PR寄存器，也叫做GPT分频定时器，用来配置定时器时钟源分频系数的，该寄存器的描述如下：

PRESCALER(bit[11:0])：定时器时钟源分频系数，能配置为0x000~0xFFF，对应着分频系数为1~4096分频。

接下来，则是GPTx_SR寄存器，该寄存器也叫做状态寄存器，描述如下所示：

ROV(bit5)：计数器值回滚标志位，当计数器的值从0xFFFF_FFFF回滚到0x0000_0000时，该标志位置1，通过写1进行清0操作；

IFx(bit[4:3])：输入捕获中断标志位，当输入捕获事件发生后，该标志位置1，如果使用了输入捕获中断的话，需要在中断函数中将该标志位进行清0操作；

OFx(bit[2:0])：输出比较中断标志位，当输出比较事件发生后，该标志位置1，如果使用了输出比较中断的话，需要在中断函数中将该标志位进行清0操作。

接下来，则是GPTx_IR寄存器，该寄存器也叫做中断寄存器，用来控制计数器值翻转、输入捕获、输出比较事件是否产生中断的，寄存器描述如下：

ROVIE(bit5)：该bit用于控制计数器值翻转是否产生中断，设置为0表示不产生中断，设置为1表示产生中断事件；

IFxIE(bit[4:3])：用于控制输入捕获事件发生后是否产生中断，设置为0表示不产生中断，设置为1表示产生中断事件；

OFxIE(bit[2:0])：用于控制输出比较事件发生后是否产生中断，设置为0表示不产生中断，设置为1表示产生中断事件。

接下来，则是GPTx_OCRy(y=1~3)寄存器，也叫做输出比较寄存器，因为有3个输出比较通道，因此对应了3个类似的输出比较寄存器，该寄存器的值决定了什么时候产生输出比较事件，寄存器描述如下：

COMP(bit[31:0])：比较值。

接下来，就是GPTx_ICRy(y=1~2)，也叫做输入捕获寄存器，因为有2个输入捕获通道，因此对应了2个类似的输入捕获寄存器，该寄存器是32bit的只读寄存器，用于保存输入捕获通道上一次捕获事件期间计数器中的值，寄存器描述如下：

CAPT(bit[31:0])：捕获值。

接下来，则是GPTx_CNT寄存器，也叫做计数寄存器，该寄存器就保存了当前定时器的计数值，描述如下：

COUNT(bit[31:0])：定时器的当前计数值。

3、高精度延时实现

要想实现高精度的延时，可以借助于硬件定时器来实现，例如GPT定时器，如果我们设置定时器的时钟源为ipg_clk=66MHz，设置分频值为66，那么进入到定时器的最终频率为1MHz，也就是1us计数器递增1，每当递增1就表示过去了1us，递增了100就表示过去了100us，通过读取定时器的GPTx_CNT寄存器可以知道当前的计数值，例如，如果想要延时100us，假设进入到延时函数后读取到GPTx_CNT寄存器的值为300，那么当GPTx_CNT的值递增到400，就表示100us已经过去了，延时结束，由于GPTx_CNT是一个32bit的寄存器，当定时器的时钟为1MHz的话，那么最大计数为0xFFFF_FFFF，最大延时为4294967295us，在编写程序时需要考虑计数器溢出的情况，这时将会回滚到0x0000_0000，然后重新计数。

GPT定时器实现高精度延时的编程步骤如下：

• 配置GPT定时器时钟源和工作模式，首先需要设置GPTx_CR寄存器的SWR来复位定时器，复位完成后，需要配置寄存器的CLKSRC，选择GPT定时器的时钟源为ipg_clk，另外，还需要设置定时器的工作模式；
• 配置GPT定时器分频值，通过设置GPTx_PR寄存器的PRESCALAR来配置定时器的分频值；
• 配置GPT定时器的比较值，如果需要使用GPT定时器的输出比较中断功能的话，需要设置GPTx_OCRy寄存器的值，该值将决定输出比较事件什么时候产生；
• 开启GPT定时器，通过配置GPTx_CR寄存器的EN来开启定时器；
• 实现相应的延时函数。

在NXP提供的SDK包的MCIMX6G2.h文件中，包含了GPT定时器的相关寄存器的封装，如下：

/** GPT - Register Layout Typedef */
typedef struct {
  __IO uint32_t CR;         /**< GPT Control Register, offset: 0x0 */
  __IO uint32_t PR;         /**< GPT Prescaler Register, offset: 0x4 */
  __IO uint32_t SR;         /**< GPT Status Register, offset: 0x8 */
  __IO uint32_t IR;         /**< GPT Interrupt Register, offset: 0xC */
  __IO uint32_t OCR[3];     /**< GPT Output Compare Register 1..GPT Output Compare Register 3, array offset: 0x10, array step: 0x4 */
  __I  uint32_t ICR[2];     /**< GPT Input Capture Register 1..GPT Input Capture Register 2, array offset: 0x1C, array step: 0x4 */
  __I  uint32_t CNT;        /**< GPT Counter Register, offset: 0x24 */
} GPT_Type;

/* GPT - Peripheral instance base addresses */
/** Peripheral GPT1 base address */
#define GPT1_BASE                                (0x2098000u)
/** Peripheral GPT1 base pointer */
#define GPT1                                     ((GPT_Type *)GPT1_BASE)
/** Peripheral GPT2 base address */
#define GPT2_BASE                                (0x20E8000u)
/** Peripheral GPT2 base pointer */
#define GPT2                                     ((GPT_Type *)GPT2_BASE)
/** Array initializer of GPT peripheral base addresses */
#define GPT_BASE_ADDRS                           { 0u, GPT1_BASE, GPT2_BASE }
/** Array initializer of GPT peripheral base pointers */
#define GPT_BASE_PTRS                            { (GPT_Type *)0u, GPT1, GPT2 }
/** Interrupt vectors for the GPT peripheral type */
#define GPT_IRQS                                 { NotAvail_IRQn, GPT1_IRQn, GPT2_IRQn }

在编写GPT定时器实现高精度延时的裸机程序时，配置GPT定时器的相关寄存器时，可以直接使用GPT_Type*结构体指针，接下来，在前面的裸机基础上进行开发：

进入到工程的bsp目录，新创建gptdelay目录：

$ cd bsp/bsp
$ mkdir gptdelay
$ cd gptdelay
$ touch bsp_gptdelay.h
$ touch bsp_gptdelay.c

新创建的bsp_gptdelay.h文件内容如下所示：

#ifndef __BSP_GTPDELAY_H
#define __BSP_GPTDELAY_H

#include "imx6ul.h"

void delay_init(void);
void delay_us(unsigned int us);
void delay_ms(unsigned int ms);

#endif

该文件主要是一些函数的声明，新创建的bsp_gptdelay.c文件内容如下：

#include "bsp_gptdelay.h"

/**
 * delay_init() - 延时初始化函数(GPT1定时器)
 * 
 * @param: 无
 * @return: 无
 */
void delay_init(void)
{
    GPT1->CR = 0;           /* GPT1_CR寄存器清0 */
    GPT1->CR |= 1 << 15;    /* GPT1定时器进入软复位状态 */
    while ((GPT1->CR >> 15) & 0x01);    /* 等待软复位完成 */

    /**
     * 配置GPT1_CR寄存器相关位
     * bit[22:20]: 000 输出比较功能关闭
     * bit[9]: 0 GPT1定时器工作于Restart模式
     * bit[8:6]: 001 GPT1时钟源选择ipg_clk=66MHz
     */
    GPT1->CR |= (1 << 6);

    /**
     * 配置GPT1_PR寄存器，设置时钟分频系数
     * bit[11:0]: 分频值，0x000~0xFFF代表1~4096分频
     */
    GPT1->PR = 65;      /* GPT1时钟频率为66M/(65+1)=1MHz */

    /**
     * 配置GPT1_OCR1寄存器，输出比较1的计数值
     */
    GPT1->OCR[0] = 0xFFFFFFFF;

    GPT1->CR |= (1 << 0);   /* 使能GPT1定时器开始计数 */
}

/**
 * delay_us() - us级别的延时函数
 * 
 * @us: 要延时的us数，最大延时为0xFFFFFFFFus
 * @return: 无
 */
void delay_us(unsigned int us)
{
    unsigned int oldcnt = 0;
    unsigned int newcnt = 0;
    unsigned int tcntvalue = 0; /* 过去的总时间 */

    oldcnt = GPT1->CNT;
    while (1) {
        newcnt = GPT1->CNT;

        if (newcnt != oldcnt) {
            if (newcnt > oldcnt)    /* 向上计数(计数值没有溢出) */
                tcntvalue = tcntvalue + newcnt - oldcnt;
            else                    /* 计数值发生溢出 */
                tcntvalue = tcntvalue + 0xFFFFFFFF - oldcnt + newcnt;

            oldcnt = newcnt;

            if (tcntvalue >= us)
                break;
        }
    }
}

/**
 * delay_ms() - ms级别的延时函数
 * 
 * @ms: 要延时的ms数
 * @return: 无
 */
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i;
    
    for (i = 0; i < ms; i++)
        delay_us(1000);
}

该文件中的delay_init()函数是用来初始化GPT1定时器的，delay_us()函数则是用来实现us级别的延时。

app.c文件内容如下所示：

#include "bsp_clk.h"
#include "bsp_delay.h"
#include "bsp_gpio.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"
#include "bsp_int.h"
#include "bsp_epit.h"
#include "bsp_gptdelay.h"

/**
 * main() - 主函数
 */
int main(void)
{
    unsigned char led2_state = ON;

    interrupt_init();           /* 中断初始化 */
    imx6ul_clk_init();          /* 初始化相关时钟 */
    system_clk_enable();        /* 系统外设时钟使能 */
    delay_init();               /* 硬件定时器延时初始化 */
    led_init();                 /* LED灯初始化 */
    epit1_init(66, 1000000);    /* EPIT1定时器初始化 */

    while (1) {
        led2_state = !led2_state;
        led_switch(LED2, led2_state);
        delay_ms(1000);
    }

    return 0;
}

main()函数比较简单，需要调用delay_init()函数进行GPT定时器的初始化，对于ms级别的延时，调用delay_ms()即可，最后，编译相应的文件生成可执行的.imx文件，烧写到I.MX6UL目标板中验证即可。

4、小结

本文主要简单介绍了I.MX6UL嵌入式SoC中的GPT定时器原理以及使用GPT定时器实现高精度延时简单实例。