[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK入门篇连载-09 PS TTC定时器实验

本帖最后由 FPGA课程于 2024-9-25 17:30 编辑

软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述
ZYNQ有2个TTC定时器，每个TTC具有3个定时计数器，每个定时器都支持中断。TTC可以用于定时，也可以用于产生PWM。
实验目的：
1:了解ZYNQ TTC定时器的功能
2:了解TTC定时器的寄存器
3:使用SDK自带代码测试TTC定时器的定时中断、以及PWM输出。
2系统框图

如下系统框图所示，每个TTC具有3个定时计数器模块，每个模块都有自己的预分频器、16bit计数器、事件定时器、中断模块单元。支持的中断类型包括：计数间隔中断、计数匹配中断、计数溢出中断、事件定时器溢出中断。每种类型都可以单独启用。

以TTC0为例，其全局中断GIC中断号分别为:#42 #43 #44。

TTC的工作模式可以分为一下两种：

间隔模式：计数器在 0 和间隔寄存器的值之间连续递增或递减，计数方向由计数器控制寄存器的 DEC 位决定。当计数器过零时产生一个间隔中断。当计数器值等于匹配寄存器之一时，会产生相应的匹配中断。

溢出模式：计数器在 0 到 0xFFFF 之间连续递增或递减，计数方向由计数器控制寄存器的 DEC 位决定。当计数器过零时产生溢出中断。当计数器值等于匹配寄存器之一时，会产生相应的匹配中断。

当TTC工作于事件模式，事件定时器通过内部的16bit定时计数器(该计数器的时钟就是CPU的系统时钟，并且用户不可见)计数。

3TTC定时器的寄存器
TTC0的基地址为0xF8001000，TTC1的基地址为0xF8002000，每个TTC都有3个定时计数器，这里以TTC0的定时计数器1的寄存器作为说明。以下寄存器命名方法以软件方法命名，比如MACH0寄存器代表了硬件中的MACH1(因为硬件上不存在0的概念，而程序中第一个通常以0开始表示)

CLOCK_CONTROL寄存器XTTCPS_CLK_CNTRL_OFFSET (0x00U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
CLOCK_CONTROL	6:0	RW	0x0	6bit: 设置外部输入时钟的计数边沿，默认是上升沿，当设置1采用下降沿。 5bit: 时钟源选择，默认是pclk，当设置1选择外部时钟ext_clk 4~1bit: 预分频，分频系数= 2^(N+1) 0bits: 预分频使能，设置1使能预分频

CNT_CNTRL寄存器XTTCPS_CLK_CNTRL_OFFSET (0x0CU)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
CNT_CNTRL	6:0	RW	0x0	6bit: 波形极性：该位为高电平时，Match中断时波形输出由高电平变为低电平，溢出或间隔中断时返回高电平；当低电平时，波形在 Match中断时从低电平变为高电平，并在溢出或间隔中断时返回低电平。 5bit: 输出波形使能，低电平有效。 4bit: 将该位设置为高电平会重置计数器值并重新开始计数； RST 位在重启时自动清除。 3bit: 寄存器匹配模式：当设置匹配时，当计数值与三个匹配寄存器之一匹配时产生中断，并且中断状态寄存器中的相应位被设置。 2bit: 当该位为高时，计数器递减计数。 1bit: 该位为高时，定时器处于间隔模式，计数器定期产生中断；低电平时，定时器处于溢出模式。 0bit: 禁用计数器：当该位为高时，计数器停止，保持其最后一个值，直到复位、重新启动或再次启用。

COUNT_VALUE寄存器XTTCPS_COUNT_VALUE_OFFSET (0x18U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
COUNT_VALUE	15:0	RO	0x0	当前计数器的值

INTERVAL_VAL寄存器XTTCPS_INTERVAL_VAL_OFFSET (0x24U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
INTERVAL_VAL	15:0	RW	0x0	计数器，递增计数的最大值，或者递减计数的起始值

MATCH_0寄存器XTTCPS_MATCH_0_OFFSET (0x30U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
MATCH_0	15:0	RW	0x0	比较匹配寄存器0，当计数器的值和比较匹配寄存器的值相等的时候，并且使能了比较匹配模式，就会产生比较匹配中断。每个计数器有3个比较匹配寄存器。

MATCH_1寄存器XTTCPS_MATCH_1_OFFSET (0x34U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
MATCH_1	15:0	RW	0x0	比较匹配寄存器1，当计数器的值和比较匹配寄存器的值相等的时候，并且使能了比较匹配模式，就会产生比较匹配中断。每个计数器有3个比较匹配寄存器。

MATCH_2寄存器XTTCPS_MATCH_2_OFFSET (0x38U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
MATCH_2	15:0	RW	0x0	比较匹配寄存器2，当计数器的值和比较匹配寄存器的值相等的时候，并且使能了比较匹配模式，就会产生比较匹配中断。每个计数器有3个比较匹配寄存器。

ISR寄存器XTTCPS_ISR_OFFSET (0x54U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
ISR	5:0	clronrd	0x0	5bit: 事件定时器溢出中断。 4bit: 计数器溢出中断。 3bit: MACH 2寄存器比较匹配中断。 2bit: MACH 1寄存器比较匹配中断。 1bit: MACH 0寄存器比较匹配中断。 0bit: 间隔中断

IER寄存器XTTCPS_IER_OFFSET (0x60U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
IEN	5:0	RW	0x0	中断使能寄存器对应于ISR寄存器的中断位

Event_Control_Timer_0寄存器XTTCPS_ Event_Control_Timer_0_VALUE_OFFSET (0x6CU)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
Event_Control_Timer_0	2:0	RW	0x0	2bit:E_OV 当该位为低时，事件定时器被禁用并在事件定时器寄存器溢出发生时设置为零；当设置为高时，溢出后定时器继续计数。 1bit:E_Lo 当该位为高时，以pclk计数ext_clk 的低电平持续时间；低电平时，以pclk计数ext_clk 的高电平持续时间。 0bit:E_En 使能定时器，当该位设置1，事件定时器使能。

Event_Register_0寄存器XTTCPS_IER_OFFSET (0x60U)

Field Name	Bits	Type	Reset Value	Description
Event_Register_0	15:0	RO	0x0	以pclk计数的ext_clk高电平或者低电平的时间。

4搭建SOC系统工程

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习“01Vitis Soc开发入门”这篇文章。

4.1SOC系统工程

以上设计中，在ZYNQ IP中是设置了TTC0，并且增加了ILA IP用来观察波形

ZYNQ IP中设置TTC0

设置TTC0使用外部50M时钟

由于产生的PWM周期短，所以把采样深度多设置一些,并且使用前面的1M时钟作为Capture 信号

演示程序只输出1路PWM但是依然用ILA检测多少有的PWM输出

4.2编译并导出平台文件

以下步骤简写，有不清楚的看第一篇文章。

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:添加配套工程路径下uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc约束文件

4:生成Bit文件。

5:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

6:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

5 搭建Vitis-sdk工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

5.1创建SDK Platform工程

右击soc_base编译，编译的时间可能会有点长

5.2创建APP工程

本实验使用SDK自带的测试程序测试，并且对测试程序稍作修改。

6程序分析

先看下上面的程序流程图，程序中使用了TTC0的Timer0和Timer1,其中Timer1工作于定时间隔模式，每1000HZ中断一次。Timer0工作于定时间隔和PWM波形模式，每2000hz中断一次。Timer0每经过500次中断也就是0.5秒更新一次Timer0的比较匹配值。Timer0的PWM周期是2000HZ因此，每间隔0.5ms，Timer0中断一次，并且在中断中更新比较匹配寄存器。

1:TmrInterruptExample函数

static int TmrInterruptExample(void)
{
int Status;
Status = SetupInterruptSystem(INTC_DEVICE_ID, &InterruptController); //设置系统中断
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
Status = SetupTicker();//设置TTC0的Timer1中断
if (Status != XST_SUCCESS) {
return Status;
}
Status = SetupPWM();//设置TTC0的Timer0中断
if (Status != XST_SUCCESS) {
return Status;
}
Status = WaitForDutyCycleFull();//设置TTC0的Timer1比较匹配值更新
if (Status != XST_SUCCESS) {
return Status;
}
/*
* 由于修改了程序，以下代码不会执行，如果不修改代码以下代码停止定时器工作
*/
XTtcPs_Stop(&(TtcPsInst[TTC_TICK_DEVICE_ID]));
XTtcPs_Stop(&(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]));
return XST_SUCCESS;
}

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2:SetupTicker函数

TTC0的Timer1通过该函数设置定时器的工作模式，时间间隔寄存器参数、中断回调函数等

int SetupTicker(void)
{
int Status;
TmrCntrSetup *TimerSetup;
XTtcPs *TtcPsTick;
/* SettingsTable 参数中定义了定时中断频率、定时间隔寄存器的值、预分频参数、定时器工作模式*/
TimerSetup = &(SettingsTable[TTC_TICK_DEVICE_ID]);
/*设置定时器工作于间隔模式、不启用波形输出模式*/
TimerSetup->Options |= (XTTCPS_OPTION_INTERVAL_MODE |XTTCPS_OPTION_WAVE_DISABLE);
Status = SetupTimer(TTC_TICK_DEVICE_ID); //设置定时器参数，这个函数下面再看
if(Status != XST_SUCCESS) {
return Status;
}
TtcPsTick = &(TtcPsInst[TTC_TICK_DEVICE_ID]); //指针重新指向
/*
* 设置定时器中断接入系统中断
*/
Status = XScuGic_Connect(&InterruptController, TTC_TICK_INTR_ID,
(Xil_ExceptionHandler)XTtcPs_InterruptHandler, (void *)TtcPsTick);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/*
* 设置定时器全局中断指向的回调函数
*/
XTtcPs_SetStatusHandler(&(TtcPsInst[TTC_TICK_DEVICE_ID]), &(TtcPsInst[TTC_TICK_DEVICE_ID]),
(XTtcPs_StatusHandler)TickHandler);
/*
*使能定时器
*/
XScuGic_Enable(&InterruptController, TTC_TICK_INTR_ID);
/*
* 使能定时器间隔中断
*/
XTtcPs_EnableInterrupts(TtcPsTick, XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK);
/*
* 启动定时器
*/
XTtcPs_Start(TtcPsTick);
return Status;
}

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3:SetupPWM函数

TTC0的Timer0工作于定时中断和PWM波形输出模式

int SetupPWM(void)
{
int Status;
TmrCntrSetup *TimerSetup;
XTtcPs *TtcPsPWM;
TimerSetup = &(SettingsTable[TTC_PWM_DEVICE_ID]);
/*
* 定时间隔模式以及比较匹配波形输出模式
*/
TimerSetup->Options |= (XTTCPS_OPTION_INTERVAL_MODE | XTTCPS_OPTION_MATCH_MODE);
Status = SetupTimer(TTC_PWM_DEVICE_ID); //设置定时器参数，这个函数下面再看
if(Status != XST_SUCCESS) {
return Status;
}
TtcPsPWM = &(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]); //指针重新指向
/*
* 设置定时器中断接入系统中断
*/
Status = XScuGic_Connect(&InterruptController, TTC_PWM_INTR_ID,
(Xil_ExceptionHandler)XTtcPs_InterruptHandler, (void *)TtcPsPWM);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/*
* 设置定时器全局中断指向的回调函数
*/
XTtcPs_SetStatusHandler(&(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]), &(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]),
(XTtcPs_StatusHandler) PWMHandler);
/*
* Enable the interrupt for the Timer counter
*/
XScuGic_Enable(&InterruptController, TTC_PWM_INTR_ID);
/*
*使能定时器间隔中断
*/
XTtcPs_EnableInterrupts(TtcPsPWM, XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK);
/*
* 启动定时器
*/
XTtcPs_Start(TtcPsPWM);
return Status;
}

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4:SetupTimer函数

该函数设置定时器工作模式，计算合理的预分频参数以及时间间隔参数，至于具体的寄存器设置读者可以继续追踪分析，我们这里不再详细分析。

int SetupTimer(int DeviceID)
{
int Status;
XTtcPs_Config *Config;
XTtcPs *Timer;
TmrCntrSetup *TimerSetup;
TimerSetup = &SettingsTable[DeviceID];
Timer = &(TtcPsInst[DeviceID]);
/*
* 通过查表方式获取参数信息，这是SDK的通用方式
*/
Config = XTtcPs_LookupConfig(DeviceID);
if (NULL == Config) {
return XST_FAILURE;
}
/*
* 利用参数信息配置定时器的指针，这是SDK的通用方式
*/
Status = XTtcPs_CfgInitialize(Timer, Config, Config->BaseAddress);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/*
* 设置定时器工作模式
*/
XTtcPs_SetOptions(Timer, TimerSetup->Options);
/*
* 以下函数计算定时器的间隔时间，以及预分频参数
*/
XTtcPs_CalcIntervalFromFreq(Timer, TimerSetup->OutputHz,
&(TimerSetup->Interval), &(TimerSetup->Prescaler));
/*
* 设置间隔寄存器以及预分频参数
*/
XTtcPs_SetInterval(Timer, TimerSetup->Interval);
XTtcPs_SetPrescaler(Timer, TimerSetup->Prescaler);
return XST_SUCCESS;
}

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5:WaitForDutyCycleFull函数

该函数中通过TTC0的Timer1每中断500次(0.5S)更新一次比较匹配值，TTC0的Timer0会在下次中断中更新最新的比较匹配寄存器的值。

int WaitForDutyCycleFull(void)
{
TmrCntrSetup *TimerSetup;
u8 DutyCycle; /* The current output duty cycle */
XTtcPs *TtcPs_PWM; /* Pointer to the instance structure */
TimerSetup = &(SettingsTable[TTC_PWM_DEVICE_ID]);
TtcPs_PWM = &(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]);
/*
* Initialize some variables used by the interrupts and in loops.
*/
DutyCycle = PWM_DELTA_DUTY;
PWM_UpdateFlag = TRUE;
ErrorCount = 0;
/*
* Loop until 100% duty cycle in the PWM output.
*/
while (1) {
/*
* If error occurs, disable interrupts, and exit.
*/
if (0 != ErrorCount) {
return XST_FAILURE;
}
if (PWM_UpdateFlag) {//每次TTC0的Timer1中断500次设置PWM_UpdateFlag=TURE
MatchValue = (TimerSetup->Interval * DutyCycle) / 100; //更新比较匹配值
DutyCycle += PWM_DELTA_DUTY; //计算下次需要更新的值
if(DutyCycle>100) //
DutyCycle = 0;
/*
* 使能中断
*/
XTtcPs_EnableInterrupts(TtcPs_PWM,
XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK);
PWM_UpdateFlag = FALSE;
}
}

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6:TickHandler函数

TTC0的timer1每1S中断1000次，每5000次(0.5S)设置PWM_UpdateFlag = TRUE。

static void TickHandler(void *CallBackRef, u32 StatusEvent)
{
if (0 != (XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK & StatusEvent)) {
TickCount++;
if (TICKS_PER_CHANGE_PERIOD == TickCount) {
TickCount = 0;
PWM_UpdateFlag = TRUE;
}
}
else {
ErrorCount++;
}
}

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7:PWMHandler函数

TTC0的timer0每1S中断2000次，每次中断重新设置比较匹配寄存器。

static void PWMHandler(void *CallBackRef, u32 StatusEvent)
{
XTtcPs *Timer;
Timer = &(TtcPsInst[TTC_PWM_DEVICE_ID]);
if (0 != (XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK & StatusEvent)) {
XTtcPs_SetMatchValue(Timer, 0, MatchValue);
}
else {
/*
* If it is not Interval event, it is an error.
*/
ErrorCount++;
}
XTtcPs_DisableInterrupts(Timer, XTTCPS_IXR_ALL_MASK);
}

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7方案演示
7.1硬件准备
实验需要用到JTAG下载器、USB转串口外设，另外需要把核心板上的2P模式开关设置到JTAG模式，即ON ON

7.2实验结果

本实验可以通过开发板上的LED观察亮度的变化,也可以通过在线逻辑分析仪查看波形

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