【小梅哥SOPC学习笔记】系统时钟的使用

给NIOS II CPU添加一颗澎湃的心——系统时钟的使用

本实验介绍如何在Qsys中添加一个定时器作为NIOS II的心跳定时器，并在NIOS II中软件编程使用该定时器。

将上一个实验watchdog工程复制、粘贴并重命名为08_sysclk_timer。在Quartus II中打开该工程，然后点击Qsys快捷图标打开Qsys组件，如下图所示：

在Qsys中，打开工程目录（08_sysclk_timer）下的mysystem.qsys工程。

打开后，在左侧的IP列表中输入“timer”，然后双击Interval Timer打开参数配置界面:

设置Period 为20，单位（Units）为ms，勾选上Fixed period。其他保持不变，点击finish，则Timer被加入到了我们之前的已有的系统中。

修改timer的名字为sys_clk按照上一节看门狗的连线内容将所有信号连接到对应总线上。

添加的过程中下面信息栏会有报错，暂时不用理会，等我们后面的操作完成后，报错会自动消失。

然后在菜单栏中点击【System】->【Assign Base Addresses】自动分配基地址。如下图所示：

这个时候，应该所有错误都消失了。接着我们在菜单栏中点击【Generate】->【Generate HDL】来生成Quartus II软件可用的设计文件，如下图所示：

生成完成之后，我们点击finish即可关闭Qsys系统，同时Quartus II软件弹出提示对话框，点击OK以关闭。

因为本实验中我们依然没有添加需要引出到外部引脚的IP，引出在Quartus II中对系统的例化文件不需要进行任何修改，直接点击“Start Compilation”（或者使用Ctrl + L组合键）对工程进行全编译即可。

打开NIOS II IDE开发软件。创建NIOS II软件工程和板级支持包工程，选择sopcinfo文件为“E:\easy_sopc\NiosOnlyExp\08_sysclk_timer\mysystem.sopcinfo”（自己根据具体路径修改，注意切换路径）。创建工程名字为sys_clk_test，选择Hello World模版工程，然后点击Finish。如下图所示：

选中bsp工程（sys_clk_test_bsp），进入BSP Editor。

1. 设置sys_clk_timer为“sys_clk”，

2. 设置timestamp_timer为none，

3. 设置stdin、stdout、stderr、为uart_0。

其他不变，点击generate，然后点击exit退出。

复制上一个工程中软件工程中的【hardware】文件夹到本工程下的【sys_clk_test】文件夹下，最好直接在电脑的文件管理器中进行（对Eclipse使用非常熟练的，请尽情使用拖拽添加的方式）。复制完成后，选中【sys_clk_test】工程，单击右键，选择【Refresh】，就可以在工程中看到【hardware】文件夹了。

接着我们添加【hardware】下的【inc】路径到工程头文件包含路径中来。我们选中【sys_clk_test】工程，按下键盘组合键“ATRL + Enter”键打开【Properties】设置界面，选择Nios II Application Properties下的Nios II Application Paths，在右侧的Application include directories下，点击Add按钮，添加hardware/inc到包含路径中。然后在弹出的对话框中点击Yes，即可将此路径添加为我们的头文件包含路径。如果用户之后自己有其他的头文件路径需要添加，也是按照这种方法进行。

接着我们查看下Project References中是否勾选了sys_clk_test_bsp工程，如果没有勾选的话，当工程关闭了重新打开时，工程有可能会报各种无法理解的错误（当一个workspace中有多个应用工程时）。这里我们需要确认这个选项被勾选上了。

然后我们再在C/C++ General下的Indexer下，勾选按照下图中所示进行勾选。通过这样勾选后，一般工程不管怎么折腾，都不会出现xxxx 'xxxx' could not be resolved的报错了。

我们可以选择将系统创建时默认的main函数所在文件hello_world.c文件改名为main.c，修改时只需要选中hello_world.c文件，单击右键，选择rename，然后改为main.c即可。

最后我们编写main文件函数如下所示：

/******************************************************************
 * 文 件 名：main.c
 * 功    能：利用系统时钟服务产生1s的周期性事件，并借此控制LED闪烁，
 *
 * 说    明：观察LED闪烁效果。
 ******************************************************************/
#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"              //系统时钟服务头文件
#include "altera_avalon_pio_regs.h"     //包含基本的IO寄存器信息
#include "alt_types.h"                  //Altera定义的数据类型

static alt_alarm alarm;              //按调用API函数规定定义的变量

alt_u8 led_data;

LED_HANDLE hLED;

/******************************************************************
 * 名    称：my_alarm_callback
 * 功    能：按调用规定系统时钟回调函数，在该函数中实现用户功能
 * 入口参数：context，系统传给回调函数的参数
 * 出口参数：返回下一次的系统时钟服务的周期值
 ******************************************************************/
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的亮灭
    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");
    }

    //熄灭所有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());

    //启动系统时钟服务
    if (alt_alarm_start(&alarm, alt_ticks_per_second()
            , my_alarm_callback, NULL) < ) {
        printf("No system clock available\n");
    }
    while ()
        ;  //等待时钟事件发生
    return ;
}

这样我们的软件就编写完成了，接着我们点击键盘的组合键“CTRL + B”（或者依次点击【Project】【Build All】）来编译整个工程。

接着我们在Quartus II中打开配置下载窗口将sof文件下载到FPGA中，然后在Eclipse中点击【Run】->【Run Configuration】，在弹出的界面中，双击左侧的【Nios II Hardware】新建一个下载设置，将name更改为sys_clk_test，与工程名保持一致。右侧Project Name选择sys_clk_test，如下图所示：

运行后在芯航线FPGA开发板上可以看到，4个LED每隔1秒闪烁一次。

补充阅读：

不常用操作系统的工程师很少碰到alarm这个概念，在他们心目中 alarm实质上就是一个简单的定时器周期中断事件。在操作系统中，alarm却是一个常用的概念，比如，当一个进程需要等待某个事件发生又不想永远等待下去时.该进程会设置一个超时(timeout)值。当这个超时值到达时，操作系统会向进程发送一个alarm(警告信号），提醒进程不要再等待。在Nios II中，alarm也可以同样理解为是打断正在执行的流程，提醒系统不要等待的信号。

如何初始化系统时钟服务？按照一般思路，先初始化定时器，再编写定时器中断服务程序。但是，在HAL层上进行应用程序开发不必如此，因为与硬件细节相关的初始化过程都由系统替用户完成了。用户在使用某项服务前，只需要开启该项服务即可。

使用HAL提供的系统时钟服务大致分为3个步骤：

1) 调用alt_alarm_start()开启系统时钟服务，该函数位于BSP工程下的HAL\src 文件夹下的 alt_alarm_start. c 中。

2) 按照格式要求编写回调函数。该回调函数将实现用户的功能。

3) 调用alt_alarm_stop()关闭系统时钟服务。该函数位于BSP工程下的HAL\src 文件夹下的 alt_tick. c中。

通过接口函数访问定时器对象中的变量，为了达到隐藏信息的目的，Altera公司提 供了一个接口函数alt_ticks_per_second()供用户获得一个设定alarm服务周期为1 s的变量值。

系统时钟服务API函数分析：

1 开启系统时钟服务函数：alt_alarm__start()

函数原型：

int alt_alarm_start (
                    alt_alarm * alarm，
                    alt_u32 nticks，
                    alt_u32 (* callback) (void* context),
                    void* context)

函数功能：启动系统时钟服务。

输入参数：

alarm——一个指向alt_alarm结构体类型的指针变量，用户需要为每个系统时钟服务创建一个alt_alarm类型变量。系统由该变量对系统时钟服务进行维护。例如，用户需要两个系统时钟服务，则需要定义alt_alarm alarm_1和alt_alarm alarm_2。

nticks——指示每隔nticks执行一次回调函数。如果定时器预设的中断周期为1 ms,则每个tick的时间间隔为1 ms。如果用户希望获得1 s—次的服务， 则nticks的输人值为1 s/1 ms=1000。

Callback——用户回调函数指针。

Context—-传给回调函数的参数，一般为寄存器的地址，也可以是其它参数。如果不需要传递参数则此处填入NULL。

② 用户回调函数：my_alarm_callback()

函数原型：

alt_u32 my_alarm_callback (void * context)

输人参数：

context —— alt_alarm_start()函数传人的参数，函数名可以自己定义，但是函数原型一定要按上述格式书写。

注意：不要在回调函数中实现复杂的功能，因为回调函数实际是定时器中断服务函数的

一部分。

③停止系统时钟服务函数alt_alarm_stop()

函数原型：

void alt_alarm_stop ( alt_alarm * alarm )

输入参数：

alarm—— —个指向ah_alarm结构体类型的指针变量，用户希望停止哪一个系统时钟服务，即把该时钟服务对应的alarm变童传给alt_alarm_stop()。至此，通过HAL API函数使用系统时钟服务的方法已总结完毕，其它API函数本文不再叙述，读者可参阅Altera公司提供的API函数手册。

最后留一个问题供读者思考，如何开启 3个系统时钟服务，使得3个LED分别以2 Hz、l Hz和0.5 Hz的频率闪烁？

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小梅哥

芯航线电子工作室