ZYNQ入门实例——定时器中断与程序固化

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<LOOP_NUM;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.
");

    while(1){

        for(i=0;i<LOOP_NUM;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.
");

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

/*
 * 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.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);
}

　　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 --> <user_code>.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。