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ZED-Board從入門到精通係列例程——全局定時器
本文係ZED-Board從入門到精通（三）：從傳統ARM開發到PS開發的轉變之後增加的PS例程。由於原文較長，在原帖後麵添加例程會使閱讀不便，於是單獨開一帖。
實際項目中幾乎離不開時間的測量。定時器是硬件係統運行狀態的忠實記錄者，它不受CPU直接幹預，自己獨立運行，可以完成計時、定時、中斷、實時時鍾等功能。
ARM Cortex-A9內部有一個64bit全局定時器，特性包括：
64bit，增計數；
內存映射至私有內存空間；
隻有複位後，在安全模式下才能訪問；
可被所有Cortex-A9核訪問，每個核有私有比較器；
時鍾源為PERIPHCLK；
定時器的精度是由其時鍾源決定的，而時鍾源來自ARM係統時鍾。我們先來看一下硬件係統時鍾分配情況，
係統PS_CLK為板上的晶振輸入，頻率為33.3333MHz
PS-CLK進入芯片後，又做如下分配（摘自Zynq-7000-TRM）：
可見經過了3個PLL，最終生成的係統時鍾有cpu_6x4x，cpu_3x2x，cpu_2x，cpu_1x。具體的係統時鍾頻率值我們可以查看XPS中的時鍾選項，這裏不再詳述，隻要知道全局定時器的輸入時鍾為cpu_3x2x，它的頻率為CPU時鍾的一半（333.333MHz），定時精度為3ns，又由於其具有64bit範圍，最大定時值可達3e34s。
操作定時器需要訪問其對應寄存器，我們看一下TRM中的描述：
這裏隻給出了基地址，具體寄存器的分布需要查看ARM文檔cortex_a9_mpcore_r4p1_trm：
其中前兩個為定時器的計數值存放寄存器，兩個32bit湊成一個64bit實現連續增計數。
第三個寄存器為控製寄存器，位定義如下：
我們需要關注的是最低位（b0)，即定時器使能位，該位為0時，定時器停止，這時可以讀寫計數值；而該位為1時，定時器運行，不能寫入計數值（隻能讀出）。
其它的寄存器我們暫時不用，不加解釋。需要的話可以自己翻一翻手冊。
相比基於操作係統的軟件計時器，我們采用硬件計時器具有非常高的精度，可以精確到ns級別！對於非常窄的脈衝，我們照樣可以通過計時器完成其脈寬測量。程序中有時需要精確延時（例如紅外通信，DS18b20單總線讀寫），我們先寫一個精確延時1s的函數，然後把它用在我們第一個流水燈實驗中。本節例程仍基於第一個例程進行，硬件部分不需要改動，隻需要改軟件，打開helloworld.c，將內容改為：
/*
* Copyright (c) 2009 Xilinx, Inc. All rights reserved.
*
* Xilinx, Inc.
* XILINX IS PROVIDING THIS DESIGN, CODE, OR INFORMATION "AS IS" AS A
* COURTESY TO YOU. BY PROVIDING THIS DESIGN, CODE, OR INFORMATION AS
* ONE POSSIBLE IMPLEMENTATION OF THIS FEATURE, APPLICATION OR
* STANDARD, XILINX IS MAKING NO REPRESENTATION THAT THIS IMPLEMENTATION
* IS FREE FROM ANY CLAIMS OF INFRINGEMENT, AND YOU ARE RESPONSIBLE
* FOR OBTAINING ANY RIGHTS YOU MAY REQUIRE FOR YOUR IMPLEMENTATION.
* XILINX EXPRESSLY DISCLAIMS ANY WARRANTY WHATSOEVER WITH RESPECT TO
* THE ADEQUACY OF THE IMPLEMENTATION, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO
* ANY WARRANTIES OR REPRESENTATIONS THAT THIS IMPLEMENTATION IS FREE
* FROM CLAIMS OF INFRINGEMENT, IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY
* AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
*
*/
/*
* helloworld.c: simple test application
*/
#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#define MIO_BASE 0xE000A000 //MIO基地址
#define DATA1_RO 0x64
#define DATA2 0x48
#define DATA2_RO 0x68
#define DIRM_2 0x284
#define OEN_2 0x288
#define GTC_BASE 0xF8F00200 //Global Timer基地址
#define GTC_CTRL 0x08 //控製寄存器偏移量
#define GTC_DATL 0x00 //數據寄存器（低32bit）
#define GTC_DATH 0x04 //數據寄存器（高32bit）
#define CLK_3x2x 333333333 //定時器輸入時鍾頻率
void print(char *str);
void delay_1s(int t) //t無實際意義
{
int i = CLK_3x2x,j;
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_CTRL)) = 0x00; //清零定時器使能位，定時器停止
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATL)) = 0x00000000; //寫入計數值（低32bit）
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATH)) = 0x00000000; //寫入計數值（高32bit）
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_CTRL)) = 0x01; //開啟定時器
do
{
j=*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATL));
}
while(j<i); //判斷是否計時夠1s？
}
void print(char *str);
int main()
{
int i;
init_platform();
*((volatile int*)(MIO_BASE+OEN_2)) = 0xff;
*((volatile int*)(MIO_BASE+DIRM_2)) = 0xff;
print("Hello world!\r\nThe Leds are flowing...\r\n");
while(1)
{
for(i = 0;i < 8; i++)
{
*((volatile int*)(MIO_BASE+DATA2)) = 0x01<<i;
delay_1s(1000);
}
}
cleanup_platform();
return 0;
}
上麵例子中，將原來的delay_1s改成了利用64bit全局定時器實現的精確定時（雖然這樣做有點浪費，嗬嗬）。
運行結果仍為流水燈，燈移一位的時間應該是標準的1s。
我們可以通過簡單的編程，實現對程序性能的監測，例如在運行算法程序之前，先開啟計時器，等算法程序結束，再停止計時，讀取計時器的計數值從而計算算法運行時間，這樣可以評估算法性能。這個功能有點像Matlab裏麵的tic，toc，為了方便程序編寫，我們也如此定義函數：
#define GTC_BASE 0xF8F00200
#define GTC_CTRL 0x08
#define GTC_DATL 0x00
#define GTC_DATH 0x04
#define CLK_3x2x 333333333
void tic(void)
{
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_CTRL)) = 0x00;
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATL)) = 0x00000000;
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATH)) = 0x00000000; //清零定時器的計數值
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_CTRL)) = 0x01;
}
double toc(void)
{
*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_CTRL)) = 0x00;
long long j=*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATH));
double elapsed_time = j<<32;
j=*((volatile int*)(GTC_BASE+GTC_DATL)); //讀取64bit定時器值，轉換為double
elapsed_time+=j;
elapsed_time/=CLK_3x2x;
elapsed_time*=1000;
printf("Elapsed time is %f ms.\r\n",elapsed_time);
return elapsed_time;
}
調用時非常簡單：
tic(); my_algorithm(); toc();
運行時，程序輸出和matlab完全一致。這裏使用硬件計時，精度可以達到ns級別，具有普通軟件計時無法比擬的特性，對於非常窄的脈衝，我們照樣可以用上麵的方法測量其脈寬。
通過本節定時器的例子，相信童鞋們對PS開發有種駕輕就熟的感覺。沒錯，真正基於Zynq的PS開發流程就是如此，首先查閱文檔，知道硬件寄存器定義，然後按照說明進行底層軟件編寫，並為上層程序提供較為簡潔和直觀的接口。掌握了這個技巧，後麵進行PS與PL協同開發時，隻要根據PL相應內存映射地址和寄存器定義，就可以完成PS端控製軟件的設計，從而為後麵進一步編寫基於操作係統的驅動程序打下堅實的基礎。
大家可以讀完本文後，進一步利用官方文檔，熟悉一下PS的其他外設操作。
最後更新：2017-04-03 16:48:57