[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX驱动篇连载-06 TTC定时器

软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX Z7/ZU系列FPGA

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1 概述

本章将会讲述关于TTC定时器的相关内容，学习linux内核提供的定时器api函数，通过这些api函数可以完成很多要求的定时应用。

实验目的：

• 掌握linux定时器的驱动的编写。
• 了解MPSOC的定时器功能特性。
• 了解TTC定时器的寄存器。
  

2 系统框图

        在开始之前，我们先来看下PS端的系统定时器。PS端有很多不同类型的定时器和计数器。

Zynq的PS的CPU0和CPU1各包含1个私有定时器以及一个私有看门狗定时器并且共享一个全局定时器。另外Zynq的PS还有TTC0以及TTC1定制控制器。每个TTC定时器里面包含三个定时器/计数器。本文所讲解的是CPU0的私有定时器中断的使用。

本方案中只对CPU0的私有定时器进行说明。

        Zynq的私有定时器和看门狗定时器具有以下共同的特性：

1-定时计数器位宽为32位，当达到0时产生中断

2-参考时钟为CPU时钟的1/2，比如CPU是666.6666M 那么定时器的参考时钟为333.3333M

3-有一个8bit预分频器，可以对参考时钟进一步分频

4-有一个可配置的预加载寄存器

5-可配置为单次模式或者自动重载模式

3 介绍

3.1 中断资源概述

PS的CPU0和CPU1各有1个私有定时器。上图中，红色部分为PS的私有中断资源，本文中demo就是以CPU0的定时器中断使用作为演示方案。CPU0的定时器中断经过中断控制派发器派发给CPU0。CPU0的私有定时器IRQ ID=29。

3.2 私有定时器的寄存器

在UG585中没有关于私有定时器的详细说明，我们通过SDK代码的理解补充了这部分说明。私有定时器的基地址为0xF8F00600。CPU的私有定时器一共有4个寄存器：

XSCUTIMER_LOAD寄存器XSCUTIMER_LOAD_OFFSET        (0x00U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XSCUTIMER_LOAD	31:0	至少 可写	0x0	私有定时器的预加载值

XSCUTIMER_COUNTER寄存器XSCUTIMER_COUNTER_OFFSET        (0x04U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XSCUTIMER_COUNTER	31:0	至少 可读	0x0	私有定时器的计数器

XSCUTIMER_CONTROL寄存器XSCUTIMER_CONTROL_OFFSET        (0x08U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XSCUTIMER_CONTROL	31:0	R/W	0x0	私有定时器的控制寄存器 15~8bit:预分频设置 2bit:当为1中断使能 1bit:当为1自动重载使能 0bit:当为1表示定时器使能

XSCUTIMER_ISR寄存器XSCUTIMER_ISR_OFFSET        (0x0CU)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
XSCUTIMER_ISR	31:0	R/W	0x0	私有定时器的中断寄存器 0bit:当为1的时候表示发生中断

3.3 节拍与延时时间的互换

        系统之所以能够记录时间，是因为每个系统都有一个节拍器。在已经部署好开发环境的虚拟机的uisrc-lab-xlnx目录中打开终端输入“source scripts/mzuxcfg.sh”之后，再输入“make_kernel_menuconfig.sh”。可以调整内核中的节拍频率。

在这里我们设置了250HZ的频率，也就是1秒250个节拍，节拍约高精度约高，但是同样过高的频率也会导致过高的CPU占用，因此除非是需要高精度，100HZ或250HZ已经足矣。

4 搭建工程

4.1 vivado工程的搭建

详细的vivado搭建参考“[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX驱动篇连载-01 Hello World”vivado和vitis工程搭建。如果使用的是附件中的工程生成的系统文件，或者使用的是附件中提供的相关的boot文件夹中的文件。那么，就无需改动vivado工程的设置。

4.2 上传文件至虚拟机

        将文件“Timer”上传至虚拟机，可以使用U盘，scp，vm-tools等一系列方式实现。

至此准备工作，已经完成。

5 程序分析

5.1 驱动程序分析

1. //添加头文件
   
2. #include <linux/init.h>
   
3. #include <linux/module.h>
   
4. #include <linux/ide.h>
   
5. #include <linux/cdev.h>
   
6. #include <linux/timer.h>
   
7. 
   
8. //设置一个设备全局变量
   
9. struct timer_device
   
10. {
    
11.     dev_t devno;
    
12.     struct cdev cdev;
    
13.     struct class *class;
    
14.     struct device *device;
    
15.     unsigned long count;
    
16.     struct timer_list timer;
    
17. };
    
18. struct timer_device timer_dev;
    
19. 
    
20. //timer回调函数，倒计时结束后会运行回调函数
    
21. static void timer_callback(struct timer_list *timer)
    
22. {
    
23.     printk(KERN_CRIT "timer_callback.\n");
    
24. }
    
25. 
    
26. //打开设备函数
    
27. static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    
28. {
    
29.     printk("timer_open success.\n");
    
30.     return 0;
    
31. }
    
32. //接收用户空间传来的数据
    
33. static ssize_t timer_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *fops)
    
34. {
    
35.     int flag = 0, i = 0; //flag用来判断是否读取成功，i为一个计数器
    
36.     unsigned long temp;  //用来临时存放计算值
    
37.     timer_dev.count = 0;
    
38.     flag = copy_from_user(&temp, buf, count); //使用copy_from_user读取用户态发送过来的数据
    
39.     if (flag != 0)
    
40.     {
    
41.         printk("Kernel receive data failed!\n");
    
42.         return 1;
    
43.     }
    
44.     //将char*转为unsigned long
    
45.     for (i = 0; i < count; i++)
    
46.     {
    
47.         timer_dev.count *= 10;
    
48.         timer_dev.count += temp % 256 - 48;
    
49.         temp = temp >> 8;
    
50.     }
    
51.     printk(KERN_CRIT "wait time = %ld\n", timer_dev.count);
    
52.     //设置定时器的延时
    
53.     mod_timer(&timer_dev.timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer_dev.count));
    
54.     return 0;
    
55. }
    
56. //关闭设备函数
    
57. static int timer_release(struct inode *inode, struct file *filp)
    
58. {
    
59.     printk("timer_release success.\n");
    
60.     return 0;
    
61. }
    
62. 
    
63. static struct file_operations timer_fops = {
    
64.     .owner = THIS_MODULE,
    
65.     .open = timer_open,
    
66.     .write = timer_write,
    
67.     .release = timer_release,
    
68. };
    
69. 
    
70. //实现装载入口函数
    
71. static __init int timer_drv_init(void)
    
72. {
    
73.     int ret = 0;
    
74.     printk("timer_drv_init start.\n");
    
75. 
    
76.     //动态申请设备号
    
77.     ret = alloc_chrdev_region(&timer_dev.devno, 0, 1, "timer_device");
    
78.     if (ret < 0)
    
79.     {
    
80.         printk("alloc_chrdev_region fail!\n");
    
81.         return 0;
    
82.     }
    
83. 
    
84.     //设备初始化
    
85.     cdev_init(&timer_dev.cdev, &timer_fops);
    
86.     timer_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
    
87. 
    
88.     //申请创建设备类
    
89.     timer_dev.class = class_create(THIS_MODULE, "timer_class");
    
90.     if (IS_ERR(timer_dev.class))
    
91.     {
    
92.         printk("class_create fail!\n");
    
93.         return 0;
    
94.     }
    
95. 
    
96.     //建立设备节点
    
97.     timer_dev.device = device_create(timer_dev.class, NULL, timer_dev.devno, NULL, "timer_device");
    
98.     if (IS_ERR(timer_dev.device))
    
99.     {
    
100.         printk("device_create fail!\n");
     
101.         return 0;
     
102.     }
     
103. 
     
104.     //向系统注册一个字符设备
     
105.     cdev_add(&timer_dev.cdev, timer_dev.devno, 1);
     
106. 
     
107.     //初始化定时器
     
108.     timer_setup(&timer_dev.timer, timer_callback, 0);
     
109. 
     
110.     printk("timer_drv_init success.\n");
     
111.     return 0;
     
112. }
     
113. 
     
114. //实现卸载入口函数
     
115. static __exit void timer_drv_exit(void)
     
116. {
     
117.     printk("timer_drv_exit start.\n");
     
118.     //删除定时器
     
119.     del_timer_sync(&timer_dev.timer);
     
120.     //注销字符设备
     
121.     cdev_del(&timer_dev.cdev);
     
122.     //删除设备节点
     
123.     device_destroy(timer_dev.class, timer_dev.devno);
     
124.     //删除设备类
     
125.     class_destroy(timer_dev.class);
     
126.     //注销设备号
     
127.     unregister_chrdev_region(timer_dev.devno, 1);
     
128.     printk("timer_drv_exit success.\n");
     
129. }
     
130. 
     
131. //声明装载入口函数和卸载入口函数
     
132. module_init(timer_drv_init);
     
133. module_exit(timer_drv_exit);
     
134. 
     
135. //添加GPL协议
     
136. MODULE_LICENSE("GPL");
     
137. MODULE_AUTHOR("msxbo");

复制代码

行8~18，设置了一个设备的全局变量，里面包含了设备的所有属性。

行20~24，计时器的回调函数，用来处理定时器结束时触发的。

行33~55，驱动程序读取操作，先拷贝用户空间数据，然后转换类型，最后通过mod_timer函数设置定时器。

行63~68，驱动程序接口。

行70~112，驱动入口函数，完成的任务有申请设备号，设备初始化，创建设备类，建立设备节点，注册字符设备，初始化定时器。

行114~129，驱动出口函数，与入口函数中的步骤相反，一步步注销申请的资源。

1:timer_list结构体

1. struct timer_list {
   
2.     struct hlist_node entry;
   
3.     unsigned long  expires;
   
4.     void   (*function)(struct timer_list *);
   
5.     u32   flags;
   
6. #ifdef CONFIG_LOCKDEP
   
7.     struct lockdep_map lockdep_map;
   
8. #endif
   
9. };

复制代码

含义：该结构体规定了一个定时器所需要的各个参数。

2:timer_setup函数

1. #define timer_setup(timer, callback, flags)

复制代码

含义：定时器初始化函数，内容包括了初始化定时器、绑定回调函数。初始化另外还有init_timer()函数和add_timer()函数，这一对函数组合适用和本函数的效果是一样的，所以我们使用timer_setup函数来代替繁琐的设置工作。

具体分析：

• timer：9.3.1中的timer_list结构体
• callback：回调函数，在定时器倒计时结束时会自动调用
• flags：TIMER_*标志
• 返回值：无
  

3:del_timer函数

1. int del_timer(struct timer_list * timer)

复制代码

含义：该函数是与初始化对应的注销函数，这个函数会删除一个定时器，但是定时器可能运行在其他处理器上，所以在调用这个函数的时候需要确定这个定时器已经退出。

具体分析：

• timer：初始化完成的timer_list结构体
• 返回值：0，定时器还没被激活。1，定时器已经激活。
  

4:del_timer_sync函数

1. int del_timer(struct timer_list * timer)

复制代码

含义：这是del_timer 函数的sync版本，区别就是在注销时，不需要手动去确认定时器是否已经退出，它会自动等待定时器退出后注销定时器，一般我们采用这个函数来编写我们的驱动。

具体分析：

• timer：初始化完成的timer_list结构体
• 返回值：0，定时器还没被激活。1，定时器已经激活。
  

5:mod_timer函数

1. int del_timer_sync(struct timer_list *timer)

复制代码

含义：用来修改定时器的值，设置的同时还会启动定时器。

具体分析：

• timer：设定好的timer_list结构体
• expires：超时时间
• 返回值：0，调用 mod_timer 函数前定时器未被激活。1，调用 mod_timer 函数前定时器已被激活。
  

6:节拍与时间互换的函数

1. /*毫秒互换*/
   
2. int jiffies_to_msecs(const unsigned long j)
   
3. long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)
   
4. /*微秒互换*/
   
5. int jiffies_to_usecs(const unsigned long j)
   
6. long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)
   
7. /*纳秒互换*/
   
8. u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)
   
9. unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)

复制代码

含义：将节拍与毫秒，微秒，纳秒互换的相关函数。

5.2 应用程序分析

1.    #include <stdio.h>
   
2.    #include <unistd.h>
   
3.    #include <sys/types.h>
   
4.    #include <sys/stat.h>
   
5.    #include <fcntl.h>
   
6.    #include <stdlib.h>
   
7.    #include <string.h>
   
8. 
   
9.    int main(int argc, char *argv[])
   
10. {
    
11.     int fd, ret = 0;
    
12.     char *filename;
    
13.     char writebuf[10] = {0};
    
14. 
    
15.     filename = argv[1];
    
16. 
    
17.     fd = open(filename, O_RDWR); //打开设备
    
18.     if (fd < 0)
    
19.     {
    
20.         printf("Can't open file %s\n", filename);
    
21.         return -1;
    
22.     }
    
23. 
    
24.     memcpy(writebuf, argv[2], strlen(argv[2])); //将内容拷贝到缓冲区
    
25.     ret = write(fd, writebuf, strlen(argv[2])); //写数据
    
26.     if (ret < 0)
    
27.     {
    
28.         printf("Write file %s failed!\n", filename);
    
29.     }
    
30.     else
    
31.     {
    
32.         printf("Write file success!\n");
    
33.     }
    
34. 
    
35.     ret = close(fd); //关闭设备
    
36.     if (ret < 0)
    
37.     {
    
38.         printf("Can't close file %s\n", filename);
    
39.         return -1;
    
40.     }
    
41. 
    
42.     return 0;
    
43. }

复制代码

第24行将从终端输入的第二个参数复制进writebuff中。

第25行把writebuff中的内容写入到文件描述符fd中。

写入成功后关闭设备。

6 程序编译

在已部署好开发环境的虚拟机上进行交叉编译。

6.1 Makefile文件分析

1. #已经编译过的内核源码路径
   
2. KERNEL_DIR = /home/uisrc/uisrc-lab-xlnx/sources/kernel
   
3. 
   
4. export ARCH=arm
   
5. export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
   
6. 
   
7. #当前路径
   
8. CURRENT_DIR = $(shell pwd)
   
9. 
   
10. MODULE =  ttc_drv
    
11. APP = ttc_app
    
12. 
    
13. all :
    
14. #进入并调用内核源码目录中Makefile的规则, 将当前的目录中的源码编译成模块
    
15. make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURRENT_DIR) modules
    
16. rm -rf *.mod.c *.mod.o *.symvers *.order *.o
    
17. ifneq ($(APP), )
    
18. $(CROSS_COMPILE)gcc $(APP).c -o $(APP)
    
19. endif
    
20. 
    
21. clean :
    
22. make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURRENT_DIR) clean
    
23. rm -rf $(APP) *.tmp
    
24. 
    
25. #指定编译哪个文件
    
26. obj-m += $(MODULE).o

复制代码

详细内容参考第一章“在虚拟机上进行交叉编译”的相关内容。

如果是自定义的文件名，在第10行和第11行，可以进行修改。

7 演示

7.1 硬件准备

SD2.0 启动 01 而模式开关为 ON OFF（7100 需要先将系统烧录进qspi，然后才能从qspi启动sd卡，“[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX基础篇连载-04 从vitis移植Ubuntu实现二次开发”）

将 PS 端串口线连接电脑，如果要使用 ssh 登录，将网口线同样连接至电脑，最后给开发板通电。每次重新上电，需要重新插拔 PS 串口，否则会登录失败。

7.2 程序准备

将驱动与程序上传至开发板，查看文件是否传输成功。

在终端输入“ls”命令。确认当前所需文件，已经被上传到当前的文件夹内了。

然后在root 状态下 insmod 安装驱动。“lsmod”查看当前安装的驱动。

在管理员权限下，终端输入“chmod 777 ttc_app”，改变应用程序的权限。

通过以上操作可以确定驱动已经安装，并且应用程序可以运行。

7.3 实验结果

在终端输入“./ttc_app /dev/timer_device 3000”，三秒后定时器触发。

测试成功。