s5pv210——定时器的知识和代码操作

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一、定时器简介

1、定时器是SoC中常见外设

（1）定时器与计数器。

• 计数器每隔一个固定时间会计一个数；
• 计数值 * 计数时间周期 = 一段时间。
• 这个时间段就是我们定的时间。

（2）定时器/计数器作为SoC的外设，主要用来实现定时执行代码的功能。

• 定时器相对SoC而言，就像闹钟相对于人的意义一样。

2、定时器作用

（1）通过定时器的计时功能，计时结束后，定时器会产生中断提醒CPU。

• 此时CPU会去处理中断，并执行定时器中断的ISR，从而去执行预先设定好的事件。

（2）定时器就好比CPU的秘书，这个秘书专门用来计时，并到时间后提醒CPU做某件事情。

3、定时器的原理

（1）定时器通过计数来实现定时。

• 定时器内部有一个计数器。
• 计数器的时钟，由ARM的APB总线时钟，经过时钟模块内部的分频器的分频得到
• 每隔一个时钟周期，计数器就计数一次，定时器的时间就是计数器计数值×时钟周期。
• 定时器内部有1个寄存器TCNT。
• 计时开始时，把总的计数值放入TCNT寄存器中，然后每隔一个时钟周期TCNT中的值会自动减1（硬件自动完成，不需要CPU软件去干预）；
• 直到TCNT中减为0的时候，TCNT就会触发定时器中断。

（2）由此可知，定时时间是由2个东西共同决定的：一个是TCNT中的计数值，一个是时钟周期。

4、定时器和看门狗、RTC、蜂鸣器的关系

（1）这几个东西都是和时间有关的部件。

（2）看门狗其实就是一个定时器，只不过定时时间到了之后不只是中断，还可以复位CPU

（3）RTC是实时时钟，它和定时器的差别就好象闹钟（定时器）和钟表（RTC）的差别一样。

（4）蜂鸣器是一个发声设备，在ARM里面蜂鸣器是用定时器模块来驱动的。

二、S5PV210中的定时器

在S5PV210内部，一共有4类定时器件。这4类定时器件的功能、特征是不同的。

1、PWM定时器

（1）这种是最常用的，平时所说的定时器一般指的是这个。像简单单片机（譬如51单片机）中的定时器也是这类。

（2）为什么叫PWM定时器？因为一般SoC中产生PWM信号都是靠这类定时器器件的。

2、系统定时器

（1）系统（指的是操作系统）定时器，也是用来产生固定时间间隔（TCNT×时钟周期）信号的，称为systick，这个systick用来给操作系统提供tick信号。

（2）产生systick作为操作系统的时间片（time slice）的。

（3）一般做操作系统移植的时候，这里不会由我们自己来做，一般原厂提供的基础移植部分就已经包含了，所以几乎不需要研究。

3、看门狗定时器

（1）看门狗定时器本质上也是一个定时器，和上面2个没有任何本质区别。

（2）看门狗定时器可以设置在时间到了的时候产生中断，也可以选择发出复位信号复位CPU。

（3）看门狗定时器在实践中应用很多，尤其是工业领域（环境复杂、干扰多）机器容易出问题，而且出问题后后果很严重，此时一般都会用看门狗来进行系统复位。

4、实时时钟RTC（real time clock）

（1）区分时间段和时间点。

• 时间段是相对的，两个时间点相减就会得到一个时间段；
• 时间点是绝对的，是绝无仅有的一个时间点。

（2）定时器关注的是时间段，定时器计时从开启定时器的那一刻开始，到定的时间段结束为止产生中断；而RTC中工作用的是时间点（xx年x月x日……）。

（3）RTC和定时器的区别，就相当于是钟表和闹钟的区别。

三、S5PV210的PWM定时器

1、为什么叫PWM定时器？

• 本质上是定时器；
• 用来产生PWM波形。

2、PWM定时器介绍

（1）S5PV210有5个PWM定时器。

• 其中0、1、2、3各自对应一个外部GPIO，可以通过这些对应的GPIO产生PWM波形信号并输出；
• Timer4没有对应的外部GPIO（它不是为了生成PWM波形而设计的，而是为了产生内部定时器中断而设计的）；

（2）S5PV210的5个PWM定时器的时钟源为PCLK_PSYS

• timer0和timer1共同使用一个预分频器，timer2、3、4共同使用一个预分频器；
• 每个timer有一个专用的独立的分频器；
• 预分频器和分频器构成了2级分频系统，将PCLK_PSYS两级分频后生成的时钟供给timer模块作为时钟周期。

3、S5PV210的PWM定时器框图简介

关键点：时钟源、预分频器、分频器、TCMPB&TCNTB、dead zone

（1）预分频器与分频器

• 两级分频是串联（级联）的，所以两级分频的分频数是相乘的。
• 两级分频的分频系数分别在TCFG0和TCFG1两个寄存器中设置。
• 预分频器有2个，prescaler0为timer0&timer1共用，prescaler1为timer2、3、4共用；
• 两个prescaler都是8个bit位，因此prescaler value范围为0～255，因此预分频器的分频值范围为1～256（注意实际分频值为prescaler value + 1）。
• 分频器实质上是一个MUX开关，多选一开关决定了走哪个分频系数路线。可以选择的有1/1，1/2，1/4，1/8，1/16等。
• 计算一下，两级分频下来，分频最小为1/1（也可能是1/2），最大分频为1/256×16（1/4096）。
• 在PCLK_PSYS为66MHz的情况下（默认时钟设置就是66MHz的），此时两级分频后的时钟周期范围为0.03us到62.061us；
• 再结合TCNTB的值的设置（范围为1～2的32次方），可知能定出来的时间最长为266548.27s（折合74小时多，远远够用）。

（2）TCNT&TCMP、TCNTB&TCMPB、TCNTO

• TCNT和TCNTB是相对应的；TCNTB是有地址的寄存器，供程序员操作；TCNT在内部和TCNTB相对应，它没有寄存器地址，程序员不能编程访问这个寄存器。
• TCNT寄存器功能就是用来减1的，它是内部的不能读写；我们向TCNT中写数值要通过TCNTB往进写，读取TCNT寄存器中的值要通过读取相对应的TCNTO寄存器。
• 工作流程：事先算好TCNT寄存器中开始减的那个数（譬如300），然后将之写入TCNTB寄存器中，在启动timer前，将TCNTB中的值刷到TCNT寄存器中（有一位寄存器专门用来操作刷数据过去的），之后就可以启动定时器开始计时；在计时过程中如果想知道TCNT寄存器中的值减到多少了，可以读取相应的TCNTO寄存器。
• 定时功能只需要TCNT、TCNTB两个即可；TCNTO寄存器用来做一些捕获计时；TCMPB用来生成PWM波形。

4、自动重载和双缓冲（auto-reload and double buffering）

（1）定时器工作的时候，一次定时算一个工作循环。

• 定时器默认是单个循环工作的，也就是说定时一次，计时一次，到期中断一次就完了。下次如果还要再定时中断，需要另外设置。

（2）现实中用定时器来做的时候往往是循环的

• 可以写代码反复重置定时器寄存器的值（在每次中断处理的isr中再次给TCNTB中赋值，再次刷到TCNT中再次启动定时器），早期的单片机定时器就是这样的；
• 高级SoC中的定时器已经默认内置这种循环定时工作模式，就叫自动装载（auto-reload）机制。

（3）自动装载机制就是当定时器初始化好开始计时后再不用管了，一个周期到了之后，自动从TCNTB中再次装载值到TCNT中，再次启动定时器开始下个循环。

5、什么是PWM？

（1）PWM（pulse wide modulation，脉宽调制）

• PWM波形是一个周期性波形，周期为T，在每个周期内波形是完全相同的。
• 每个周期内由一个高电平和一个低电平组成。

（2）PWM波形的2个重要参数

• 一个是周期T，另一个是占空比duty（占空比就是一个周期内高电平的时间除以周期时间的商）。

（3）PWM波形的用处

• 譬如通信上用PWM来进行脉宽调制对基波进行载波调制；
• 在发光二极管LED照明领域可以用PWM波形来调制电流进行调光；
• 用来驱动蜂鸣器等设备。

6、PWM波形的生成原理

（1）早期的简单单片机里（譬如51单片机）没有专用的PWM定时器

• 需要自己结合GPIO和定时器模块来生产PWM波形；
• 流程：先将GPIO引脚电平拉高，同时启动定时器定T*duty时间，时间到了在isr中将电平拉低，然后定时T*(1-duty)后再次启动定时器，然后时间到了后在isr中将电平拉高，然后再定时T*duty时间再次启动定时器……

（2）因为定时器经常和PWM的产生有关，所以设计SoC的时候就直接把定时器和一个GPIO引脚内部绑定起来

• 然后在定时器内部给设置了PWM产生的机制，可以更方便的利用定时器产生PWM波形。
• 利用PWM定时器来产生PWM波形时，就可以不用中断，而是直接生成PWM。
• 绑定之后坏处就是GPIO引脚是固定的、死板的、不能随便换的。

（3）在S5PV210中，PWM波形产生有2个寄存器很关键，一个是TCNTB、一个是TCMPB。

• TCNTB决定PWM波形的周期，TCMPB决定PWM波形的占空比。
• 最终生成的PWM波形的周期是：TCNTB×时钟周期（PCLK_PSYS经过两极分频后得到的时钟周期）。
• 最终生成的PWM波形的占空比是：TCMPB/TCNTB

7、输出电平翻转器

（1）PWM定时器可以规定：当TCNT>TCMPB时为高电平，当TCNT<TCMPB时为低电平。也可以规定：当TCNT>TCMPB时为低电平，当TCNT<TCMPB时为高电平。在这两种规定下，计算时TCMP寄存器的值会变化。

（2）基于上面讲的，当duty从30%变到70%时，我们TCMPB寄存器中的值就要改（譬如TCNTB中是300时，TCMPB就要从210变化到90）。这样的改变可以满足需要，但是计算有点麻烦。于是乎210的PWM定时器帮我们提供了一个友好的工具叫做电平翻转器。

（3）电平翻转器在电路上的实质就是一个电平取反的部件，在编程上反映为一个寄存器位。写0就关闭输出电平反转，写1就开启输出电平反转。开启后和开启前输出电平刚好高低反转。（输出电平一反转30%的duty就变成70%了）

（4）实战中到底是TCNT和TCMPB谁大谁小时高电平还是低电平，一般不用理论分析，只要写个代码然后用示波器实际看一下出来的波形就知道了；如果反了就直接开启电平翻转器即可。

8、死区生成器

（1）PWM有一个应用就是用在功率电路中用来对交流电压进行整流。整流时2路整流分别在正电平和负电平时导通工作，不能同时导通（同时导通会直接短路，瞬间的同时导通都会导致电路烧毁）。大功率的开关电源、逆变器等设备广泛使用了整流技术。特别是逆变器，用SoC的GPIO输出的PWM波形来分别驱动2路整流的IGBT。

（2）PWM波形用来做整理时要求不能同时高或低，因为会短路。但是实际电路是不理想的，不可能同时上升/下降沿，所以比较安全的做法是留死区。

（3）死区这东西离不了也多不了。死区少了容易短路，死区多了控制精度低了不利于产品性能的提升。

（4）S5PV210给大家提供了自带的死区生成器，只要开启死区生成器，生产出来的PWM波形就自带了死区控制功能，用户不用再自己去操心死区问题。

（5）大部分人工作是用不到这个的，直接关掉死区生成器即可。

四、蜂鸣器和PWM定时器编程实践

1、蜂鸣器的工作原理

（1）蜂鸣器里面有2个金属片，离的很紧但没挨着；没电的时候两个片在弹簧本身张力作用下分开彼此平行；有电的时候两边分别充电，在异性电荷的吸力作用下两个片挨着；

（2）我们只要以快速的频率给蜂鸣器的正负极：供电、断电。进行这样的循环，蜂鸣器的两个弹簧片就会挨着分开挨着分开……，从而敲击发出声音。

（3）因为人的耳朵能听见的声音频率有限制（20Hz-20000Hz），我们做实验时一般给个2KHz的频率。

（4）频率高低会影响声音的音频，一般是音频越低声音听起来越低沉、音频越高听起来越尖锐。

（5）只要用PWM波形的电压信号来驱动蜂鸣器，把PWM波形的周期T设置为要发出的声音信号的1/频率即可；PWM的占空比只要确保能驱动蜂鸣器即可（驱动能力问题，一般引脚驱动能力都不够，所以蜂鸣器会额外用三极管来放大流来供电）。

2、原理图和硬件信息

（1）查阅原理图可知，开发板底板上的蜂鸣器通过GPD0_2（XpwmTOUT2）引脚连接在SoC上。

（2）GPD0_2引脚通过限流电阻接在三极管基极上，引脚有电蜂鸣器就会有电（三极管导通）；引脚没电蜂鸣器就会没电（三极管关闭）。这些都是硬件问题，软件工程师不用管，软件工程师只要写程序控制GPD0_2引脚的电平产生PWM波形即可。

（3）GPD0CON(0xE02000A0)，要把bit8～bit11设置为0b0010（功能选择为TOUT_2，就是把这个引脚设置为PWM输出功能）。

（4）从GPD0_2引脚可以反推出使用的是timer2这个PWM定时器。

3、PWM定时器的主要寄存器详解

相关的寄存器有TCFG0、TCFG1、CON、TCNTB2、TCMPB2、TCNTO2

4、蜂鸣器和PWM定时器编程实践

（1）基于uart_stdio项目源码来添加PWM定时器驱动蜂鸣器实验；

（2）PWM定时器来产生PWM波形时是不需要中断干预的。

五、看门狗定时器

1、什么是看门狗、有什么用？

（1）看门狗定时器和普通的定时器并无本质区别。定时器可以设定一个时间，在这个时间完成之前定时器不断计时，时间到的时候定时器会复位CPU（重启系统）。

（2）系统正常工作的时候当然不希望被重启，但是系统受到干扰、极端环境等可能会产生异常工作或者不工作，这种状态可能会造成不良影响（至少是不工作），此时解决方案就是重启系统。

（3）普通设备重启不是问题，但是有些设备人工重启存在困难。这时候我们希望系统能够自己检验自己是否已经跑飞，并且在意识到自己跑飞的时候，可以很快的（几个ms或者更短）自我重启。这个功能就要靠看门狗定时器来实现。

（4）典型应用的情景是：我们在应用程序中打开看门狗设备，初始化好给它一个时间，然后应用程序使用一个线程来喂狗，这个线程的执行时间安全短于看门狗的复位时间。当系统（或者应用程序）异常后，喂狗线程自然就不工作了，然后到时候看门狗就会复位。

（5）补充：实战中有时候为了绝对的可靠，我们并不会用SoC中自带的看门狗，而是使用专门的外置的看门狗芯片来实现看门狗。

2、S5PV210看门狗定时器的结构框图

（1）PCLK_PSYS经过两级分频后生成WDT（watchdog timer）的时钟周期，然后把要定的时间写到WTDAT寄存器中，刷到WTCNT寄存器中去减1，减到0时（定时时间到）产生复位信号或中断信号。

（2）典型应用中是配置为产生复位信号，我们应该在WTCNT寄存器减到0之前给WTDAT寄存器中重新写值以喂狗。

3、看门狗定时器的主要寄存器

WTCON WTDAT WTCNT WTCLRINT

4、看门狗定时器的编程实践

（1）产生中断信号

（2）产生复位信号

六、实时时钟RTC

1、何为实时时钟？

（1）real time clock，真实时间，即xx年x月x日x时x分x秒；

（2）RTC是SoC中一个内部外设，拥有独立的晶振提供RTC时钟源（32.768KHz），内部有一些寄存器用来记录时间（年月日时分秒星期）。

• 一般情况下为了在系统关机时时间仍然在走，还会给RTC提供一个电池供电。

2、S5PV210实时时钟的结构框图

（1）时间寄存器7个；

（2）闹钟发生器；

3、闹钟发生器

（1）可以定闹钟时间，到时间会产生RTC alarm interrupt，通知系统闹钟定时到了。

（2）闹钟定时是定的时间点，而timer定时是定的时间段。

4、S5PV210实时时钟的主要寄存器

（1）INTP，中断挂起寄存器

（2）RTCCON，RTC控制寄存器

（3）RTCALM ALMxxx，闹钟功能有关的寄存器

（4）BCDxxx，时间寄存器

5、BCD码

（1）RTC中所有的时间（年月日时分秒星期，包括闹钟）都是用BCD码编码的。

（2）BCD码本质上是对数字的一种编码，用4位二进制数表示1位十进制数字，比如十进制的56被编码成0x56。

（3）BCD码的作用

• 将十进制数拆成组成这个十进制数的各个数字的编码，变成编码后就没有位数的限制了。
• 譬如123456789123456789，如果这个数纯粹当数字肯定超出了int的范围，计算机无法直接处理。
• 想让计算机处理这个数，计算机首先得能表达这个数，表达的方式就是先把这个数转成对应的BCD码（123456789123456789）。

（4）BCD码在计算机中可以用十六进制的形式来表示。也就是说十进制的56转成BCD码后是0x56，在计算机中用0x56来表达（暂时存储与运算）。

（5）需要写2个函数，一个是bcd转十进制，一个是十进制转bcd。

• 当要设置时间的时候（譬如要设置为23分），需要将这个23转成0x23，然后再赋值给相应的寄存器BCDMIN；
• 当从寄存器BCDMIN中读取一个时间时（譬如读取到的是0x59），需要转成十进制再去显示（0x59当作BCD码就是59，转成十进制就是59，所以显示就是59分）。

七、RTC实战

1、设置时间与读取显示时间

（1）为了安全，默认情况下RTC读写是禁止的，此时读写RTC的时间是不允许的；当我们要更改RTC时间时，应该先打开RTC的读写开关，然后再进行读写操作，操作完了后立即关闭读写开关。

（2）读写RTC寄存器时，一定要注意BCD码和十进制之间的转换。

（3）年的问题。

• BCDYEAR寄存器存的并不是完整的年数，而是基于2000年的偏移量来存储的；
• 譬如今年2015年，实际存的就是15（2015-2000）；
• 还有些RTC芯片是以1970年为基点的。

2、闹钟实验