給NIOS II CPU添加一顆澎湃的心——系統時鍾的使用
本實驗介紹如何在Qsys中添加一個定時器作為NIOS II的心跳定時器，並在NIOS II中軟件編程使用該定時器。
將上一個實驗watchdog工程復制、粘貼並重命名為08_sysclk_timer。在Quartus II中打開該工程，然后點擊Qsys快捷圖標打開Qsys組件，如下圖所示：
在Qsys中，打開工程目錄（08_sysclk_timer）下的mysystem.qsys工程。
打開后，在左側的IP列表中輸入"timer"，然后雙擊Interval Timer打開參數配置界面:
設置Period 為20，單位（Units）為ms，勾選上Fixed period。其他保持不變，點擊finish，則Timer被加入到了我們之前的已有的系統中。
修改timer的名字為sys_clk按照上一節看門狗的連線內容將所有信號連接到對應總線上。
添加的過程中下面信息欄會有報錯，暫時不用理會，等我們后面的操作完成后，報錯會自動消失。
然后在菜單欄中點擊【System】->【Assign Base Addresses】自動分配基地址。如下圖所示：
這個時候，應該所有錯誤都消失了。接着我們在菜單欄中點擊【Generate】->【Generate HDL】來生成Quartus II軟件可用的設計文件，如下圖所示：
生成完成之后，我們點擊finish即可關閉Qsys系統，同時Quartus II軟件彈出提示對話框，點擊OK以關閉。
因為本實驗中我們依然沒有添加需要引出到外部引腳的IP，引出在Quartus II中對系統的例化文件不需要進行任何修改，直接點擊"Start Compilation"（或者使用Ctrl + L組合鍵）對工程進行全編譯即可。
打開NIOS II IDE開發軟件。創建NIOS II軟件工程和板級支持包工程，選擇sopcinfo文件為"E:\easy_sopc\NiosOnlyExp\08_sysclk_timer\mysystem.sopcinfo"（自己根據具體路徑修改，注意切換路徑）。創建工程名字為sys_clk_test，選擇Hello World模版工程，然后點擊Finish。如下圖所示：
選中bsp工程（sys_clk_test_bsp），進入BSP Editor。
- 設置sys_clk_timer為"sys_clk"，
- 設置timestamp_timer為none，
- 設置stdin、stdout、stderr、為uart_0。
其他不變，點擊generate，然后點擊exit退出。
復制上一個工程中軟件工程中的【hardware】文件夾到本工程下的【sys_clk_test】文件夾下，最好直接在電腦的文件管理器中進行（對Eclipse使用非常熟練的，請盡情使用拖拽添加的方式）。復制完成后，選中【sys_clk_test】工程，單擊右鍵，選擇【Refresh】，就可以在工程中看到【hardware】文件夾了。
接着我們添加【hardware】下的【inc】路徑到工程頭文件包含路徑中來。我們選中【sys_clk_test】工程，按下鍵盤組合鍵"ATRL + Enter"鍵打開【Properties】設置界面，選擇Nios II Application Properties下的Nios II Application Paths，在右側的Application include directories下，點擊Add按鈕，添加hardware/inc到包含路徑中。然后在彈出的對話框中點擊Yes，即可將此路徑添加為我們的頭文件包含路徑。如果用戶之后自己有其他的頭文件路徑需要添加，也是按照這種方法進行。
接着我們查看下Project References中是否勾選了sys_clk_test_bsp工程，如果沒有勾選的話，當工程關閉了重新打開時，工程有可能會報各種無法理解的錯誤（當一個workspace中有多個應用工程時）。這里我們需要確認這個選項被勾選上了。
然后我們再在C/C++ General下的Indexer下，勾選按照下圖中所示進行勾選。通過這樣勾選后，一般工程不管怎么折騰，都不會出現xxxx 'xxxx' could not be resolved的報錯了。
我們可以選擇將系統創建時默認的main函數所在文件hello_world.c文件改名為main.c，修改時只需要選中hello_world.c文件，單擊右鍵，選擇rename，然后改為main.c即可。
最后我們編寫main文件函數如下所示：
| /****************************************************************** * 文件名：main.c * 功能：利用系統時鍾服務產生1s的周期性事件，並借此控制LED閃爍， * * 說明：觀察LED閃爍效果。 ******************************************************************/ #include <stdio.h> #include "system.h" //包含基本的硬件描述信息 #include "led.h" #include "sys/alt_alarm.h" //系統時鍾服務頭文件 #include "altera_avalon_pio_regs.h" //包含基本的IO寄存器信息 #include "alt_types.h" //Altera定義的數據類型
static alt_alarm alarm; //按調用API函數規定定義的變量
alt_u8 led_data;
LED_HANDLE hLED;
/****************************************************************** * 名稱：my_alarm_callback * 功能：按調用規定系統時鍾回調函數，在該函數中實現用戶功能 * 入口參數：context，系統傳給回調函數的參數 * 出口參數：返回下一次的系統時鍾服務的周期值 ******************************************************************/ alt_u32 my_alarm_callback(void* context) { if (led_data == 0x0f) { led_data = 0x00; } else { led_data = 0x0f; } LED_WriteData(hLED, led_data); //一次性控制所有LED的亮滅 return alt_ticks_per_second(); }
int main() { //初始化LED hLED = LED_Init(PIO_LED_BASE);
if (!hLED) { // printf("Failed to init LED\n"); }
//熄滅所有LED LED_Off(hLED, LED0 | LED1 | LED2 | LED3);
printf("test alarm...\n"); //打印提示信息 printf("alt_ticks_per_second() is %ld", alt_ticks_per_second());
//啟動系統時鍾服務 if (alt_alarm_start(&alarm, alt_ticks_per_second() , my_alarm_callback, NULL) < 0) { printf("No system clock available\n"); } while (1) ; //等待時鍾事件發生 return 0; } |
這樣我們的軟件就編寫完成了，接着我們點擊鍵盤的組合鍵"CTRL + B"（或者依次點擊【Project】【Build All】）來編譯整個工程。
接着我們在Quartus II中打開配置下載窗口將sof文件下載到FPGA中，然后在Eclipse中點擊【Run】->【Run Configuration】，在彈出的界面中，雙擊左側的【Nios II Hardware】新建一個下載設置，將name更改為sys_clk_test，與工程名保持一致。右側Project Name選擇sys_clk_test，如下圖所示：
運行后在芯航線FPGA開發板上可以看到，4個LED每隔1秒閃爍一次。
補充閱讀：
不常用操作系統的工程師很少碰到alarm這個概念，在他們心目中 alarm實質上就是一個簡單的定時器周期中斷事件。在操作系統中，alarm卻是一個常用的概念，比如，當一個進程需要等待某個事件發生又不想永遠等待下去時.該進程會設置一個超時(timeout)值。當這個超時值到達時，操作系統會向進程發送一個alarm(警告信號），提醒進程不要再等待。在Nios II中，alarm也可以同樣理解為是打斷正在執行的流程，提醒系統不要等待的信號。
如何初始化系統時鍾服務？按照一般思路，先初始化定時器，再編寫定時器中斷服務程序。但是，在HAL層上進行應用程序開發不必如此，因為與硬件細節相關的初始化過程都由系統替用戶完成了。用戶在使用某項服務前，只需要開啟該項服務即可。
使用HAL提供的系統時鍾服務大致分為3個步驟：
-
調用alt_alarm_start()開啟系統時鍾服務，該函數位於BSP工程下的HAL\src 文件夾下的 alt_alarm_start. c 中。
-
按照格式要求編寫回調函數。該回調函數將實現用戶的功能。
-
調用alt_alarm_stop()關閉系統時鍾服務。該函數位於BSP工程下的HAL\src 文件夾下的 alt_tick. c中。
通過接口函數訪問定時器對象中的變量，為了達到隱藏信息的目的，Altera公司提 供了一個接口函數alt_ticks_per_second()供用戶獲得一個設定alarm服務周期為1 s的變量值。
系統時鍾服務API函數分析：
開啟系統時鍾服務函數：alt_alarm__start()
函數原型：
| int alt_alarm_start ( alt_alarm * alarm， alt_u32 nticks， alt_u32 (* callback) (void* context), void* context) |
函數功能：啟動系統時鍾服務。
輸入參數：
alarm——一個指向alt_alarm結構體類型的指針變量，用戶需要為每個系統時鍾服務創建一個alt_alarm類型變量。系統由該變量對系統時鍾服務進行維護。例如，用戶需要兩個系統時鍾服務，則需要定義alt_alarm alarm_1和alt_alarm alarm_2。
nticks——指示每隔nticks執行一次回調函數。如果定時器預設的中斷周期 為1 ms,則每個tick的時間間隔為1 ms。如果用戶希望獲得1 s—次的服務， 則nticks的輸人值為1 s/1 ms=1000。
Callback——用戶回調函數指針。
Context—-傳給回調函數的參數，一般為寄存器的地址，也可以是其它參數。 如果不需要傳遞參數則此處填入NULL。
② 用戶回調函數：my_alarm_callback()
函數原型：
| alt_u32 my_alarm_callback (void * context) |
輸人參數：
context —— alt_alarm_start()函數傳人的參數，函數名可以自己定義，但是函數原型一定要按上述格式書寫。
注意：不要在回調函數中實現復雜的功能，因為回調函數實際是定時器中斷服務函數的
一部分。
③停止系統時鍾服務函數alt_alarm_stop()
函數原型：
| void alt_alarm_stop ( alt_alarm * alarm ) |
輸入參數：
alarm—— —個指向ah_alarm結構體類型的指針變量，用戶希望停止哪一個 系統時鍾服務，即把該時鍾服務對應的alarm變童傳給alt_alarm_stop()。 至此，通過HAL API函數使用系統時鍾服務的方法已總結完畢，其它API函數本文不再敘述，讀者可參閱Altera公司提供的API函數手冊。
最后留一個問題供讀者思考，如何開啟 3個系統時鍾服務，使得3個LED分別以2 Hz、l Hz和0.5 Hz的頻率閃爍？
如有更多問題，歡迎加入芯航線 FPGA 技術支持群交流學習：472607506
小梅哥
芯航線電子工作室