ZYNQ：【1】深入理解PS端的TTC定时器（Part1：原理+官方案例讲解）

碎碎念：好久不见，甚是想念！本期带来的是有关ZYNQ7020的内容，我们知道ZYNQ作为一款具有硬核的SOC，PS端很强大，可以更加便捷地实现一些算法验证。本文具体讲解一下里面的TTC定时器，之后发布的Part2将基于具体项目出发，实现PS端单核进行六路不等长占空比的PWM输出~

虽然最后对我自己毕业好像没有什么帮助QAQ，但是毕竟花费了一些时间阅读手册等内容，还是打算记录一下供大家参考。

目录

1 TTC原理分析

1.1 主要特点

1.2 结构框图

1.3 功能描述

1.3.1 操作模式

1.3.2 事件定时器/脉宽计数器（Event Timer）操作

1.4 寄存器概述

1.5 编程模型

1.5.1 计数器使能的步骤

1.5.2 计数器停止的步骤

1.5.3 计数器重启的步骤

1.5.4 事件计数器(脉宽计数器)使能的步骤

1.5.5 清除中断和确认的步骤

1.6 计数器时钟输入的选择

2 SDK分析

2.1 工程建立

2.2 案例分析

1.设置中断系统：SetupInterruptSystem()

2.设置Ticker定时器：SetupTicker() 

3.设置PWM定时器：SetupPWM()

4.逐渐修改占空比：WaitForDutyCycleFull()

5.停止计数器：XTtcPs_Stop()

这一部分我们直接按照UG585的思路，进行分析和介绍，由于原文的内容本身是英文理解起来还是需要一些经验（尽管更推荐去阅读原文部分）。

TTC包含了三个独立的定时器，分别是上图中的Timer/Clock 0、Timer/Clock 1、Timer/Clock 2。从左下角可以看到在PS端包含两个TTC，分别是TTC0和TTC1，因此两个TTC共包含6个独立的定时器。TTC控制器可以通过修改nic301_addr_region_ctrl_registers.security_apb [ttc1_apb]这个寄存器的位，来实现对于安全模式(secure mode)和非安全模式(non-secure mode)的切换。对于这两种模式的内容可以参考下面：

传送门

Secure mode and Non-secure mode： 这两种模式来源于ARM TrustZone技术，ARM在CPU的常规模式之外引入了一种称为“安全模式”的特殊CPU模式，建立了“安全世界”和“正常世界”之间的的概念。默认情况下，安全世界访问正常世界的所有状态，反之则不然。由于ARM基本使用的都是基于存储映射的结构，我的理解是通过这两种模式的分隔，来实现对于重要寄存器的保护。

每个TTC有如下特点：

1.三个独立16位预分频器和16位的向上/向下计数器。（向上：0，1，2，3，4...  向下：9，8，7，6...）

2.可选的时钟源输入（内部PS总线时钟：CPU_1x，内部时钟：PL，外部时钟：MIO）

3.对于TTC内部每一个counter，都各自有一个中断

4.在一定间隔内的溢出中断，或者计数匹配到设定的值时会发出中断

5.产生波形输出，可以通过MIO或者PL（EMIO）

通过上面的结构框图，对于TTC中第一个计数器Timer/Clock 0的时钟输入、波形输出信号的多路控制是通过slcr.MIO_PIN_xx寄存器实现的，默认情况下使用EMIO接口。

每个预分频模块（Pre-scaler）都可以独立设置为使用PS内部总线时钟或者外部时钟（来自MIO或者PL）。对于外部时钟输入，通过使用SLCR寄存器来选择具体的信号输入。预分频模块可以将输入时钟在/2和/65536之间进行分频，当如分频寄存器为0的时候，会对时钟进行二分频，之后输出给后面的计数器。

计时器可以设置为增计数、减计数，并且通过设置间隔寄存器的值，可以控制计数的范围。同时可以比较三个匹配寄存器的值和计数器（一个TTC包含3个计数器Counter和3组匹配寄存器）的值，产生中断信号。

中断模块组合了各种类型的中断:计数器间隔中断（Interval Interrupt）、计数器匹配中断（Match Interrupt）、计数器溢出中断（Overflow Interrupt）、事件计时器溢出。每种类型都可以单独启用。

一个TTC中的每个计数器模块，都可以独立编程，并以以下两种模式中的任何一种运行。

间隔模式（Interval mode）:

通过修改计数器控制寄存器（Counter Control register）的DEC位，可以控制计数器的计数方向是+1还是-1。通过修改间隔计数器（Interval mode）的值可以控制计数的范围是0到间隔计数器的值。当计数值经过0的时候，会产生一个计数器间隔中断（Interval Interrupt）。当计数器的值等于匹配计数器（Match register）值的时候，会产生一个匹配中断（Match Interrupt）。

溢出模式（Overflow mode）:

计数器在0x0000和0xFFFF之间连续的+1或者-1变化，并通过修改计数器控制寄存器的DEC位来控制计数的方向。当计数值经过0的时候，会产生一个溢出中断（Overflow Interrupt）。当计数器的值等于匹配计数器值的时候，会产生一个匹配中断。

从名字脉宽计数器，可以推断出其功能是对外部输入信号的脉宽进行测量，原理有一些类似电机差分编码器的M法测速。

事件定时器内部有一个对用户不可见的16位内部计数器（Internal Counter），该计数器被CPU_1x的时钟控制，其满足如下两个条件：

1.当外部脉冲的非计数阶段，被重置为0

2.在外部脉冲的计数阶段，开始增加

修改事件定时器控制内部计数器的行为，主要通过三个位来控制：

1 E_En bit 使能位，等于0时，将内部计数器复位到0，并停止计数

2 E_Lo bit 指定外部脉冲的计数相位

3 E_Ov bit 指定如何处理当内部计数器溢出时，如何处理。

     当为0的时候，溢出导致E_En置为0；

当为1的时候，溢出导致内部计数器继续循环计数；

在另一个寄存器的控制下，可以决定溢出时是否产生中断（而与E_Ov bit本身的值无关）。

当外部计数脉冲的计数相位结束的时候，会使用内部计数器的非零计数值对事件寄存器（Event Register）的值进行更新。因此，这个值展示了外部脉冲的宽度。由于内部计数器被CPU_1x的时钟控制，因此脉冲宽度是由CPU_1x的时钟周期数来衡量的。

当外部计数脉冲的计数相位阶段，如果内部计数器由于溢出被重置为0，那么事件寄存器将不会被更新，并保持上次非溢出计数操作的旧值。

功能

名称

概述

时钟控制

时钟控制寄存器

控制预分频器，选择时钟输入，选择边沿

计数器控制寄存器

使能计数器，设置操作模式，设置计数方向，使能匹配，使能波形输出

状态

计数器数值寄存器

返回计数器的当前值

计数器控制

间隔寄存器

设置间隔值

匹配寄存器1

匹配寄存器2

匹配寄存器3

设置匹配值，一共有3组，对应了一个TTC内部的3个Counter（这种说法不准确，其实每个Counter都有自己的一组三个匹配寄存器）

中断

中断寄存器

显示当前中断状态

中断使能寄存器

使能中断

事件

事件控制计时器寄存器

使能事件计时器，停止计时器，设置计数相位

事件寄存器

显示外部脉冲的宽度（即内部计数器的计数值）

下面展示了如何设置SoC选择对于TTC0中Counter/timer 0 的时钟源，使用的是一组if else 语句来实现。

if slcr.MIO_PIN_19[6:0] is 1100000, use MIO pin 19

else if slcr.MIO_PIN_31[6:0] is 1100000, use MIO pin 31

else if slcr.MIO_PIN_43[6:0] is 1100000, use MIO pin 43

else use EMIOTTC0CLKI0

TTC0 的 Counter/timer 1只能使用EMIOTTC0CLKI1

TTC0 的 Counter/timer 2只能使用EMIOTTC0CLKI2

下面展示了如何设置SoC选择对于TTC1中Counter/timer 0 的时钟源，使用的是一组if else 语句来实现。

if slcr.MIO_PIN_17[6:0] is 1100000, use MIO pin 17

else if slcr.MIO_PIN_29[6:0] is 1100000, use MIO pin 29

else if slcr.MIO_PIN_41[6:0] is 1100000, use MIO pin 41

else use EMIOTTC1CLKI0

TTC1 的 Counter/timer 1只能使用EMIOTTC1CLKI1

TTC1 的 Counter/timer 2只能使用EMIOTTC1CLKI2

IMPORTANT：当选择MIO引脚或EMIOTTCxCLKIx作为时钟源时，如果时钟停止运行，相应的计数值寄存器将保留旧值，而不管时钟已经停止的事实。在这种情况下必须谨慎。这句话理解为，时钟停止运行这件事可能是很容易被忽略的。

在任意一个ZYNQ工程中进行如下配置：

这里对TTC0和TTC1都打上对勾，在Block Design就会多出6个Pin脚。（为下一期的6占空比PWM输出做准备~）

右键每一个Pin脚，设置Make External：

之后在xdc文件中对输出的引脚进行绑定即可。

同时可以在Clock Configuration看到时钟的频率，这里显示TTC1和TTC2的时钟源都是来自CPU_1x的内部时钟，频率是133.333333MHz

至此，Block Design部分就设置完毕了。

首先修改完Block Design之后，需要先点F6，进行Validate Design操作，验证Block Design的正确性。

之后点击Generate Output Products生成输出。

下一步点击左侧的Generate Bitstream输出比特流文件。

之后点击File-Export-Export Hardware，将硬件信息导出。

之后点击File-Lauch SDK，新建一个空的工程。（这一步的流程可以参考正点原子的领航者ZYNQ系列视频的嵌入式开发系列）

打开Vivado工程对应的SDK文件后，我们可以在左侧找到所提供的一些ttc参考文件：

我们只需要关注xttcps.h这个头文件即可，他是PS中TTC模块驱动头文件，给出了比较详细的函数定义

同时也可以找到一些示例文件：

这里主要对第一个案例进行代码的讲解。

这里需要读者自行打开上述的案例文件~由于不需要额外硬件设置，可以直接在SDK中看到上述内容。

这里我们针对这一文件简单介绍一下ttc的设置流程。

这个文件内部给出了利用TTC产生中断的案例，共分成了几个步骤。

Line547+552：初始化中断控制器

Line562：注册中断处理

Line569：使能中断

需要注意的是SetupTicker里面包含了信息的初始化，对单个定时器的设置，中断的设置。相当于将这几部分结合在了一起。

该函数从Line257开始，这里引用了一个数据结构TmrCntrSetup，定义在Line100

typedef struct {     u32 OutputHz;    /* Output frequency */     XInterval Interval;    /* Interval value */     u8 Prescaler;    /* Prescaler value */     u16 Options;    /* Option settings */ } TmrCntrSetup;

并且Line261调用了Line131定义的数组： 

static TmrCntrSetup SettingsTable[2] = {     {100, 0, 0, 0},    /* Ticker timer counter initial setup, only output freq */     {200, 0, 0, 0}, /* PWM timer counter initial setup, only output freq */ }; 

可以看到这个数组分别用来设置Ticker timer和PWM timer的状态，分别包括：输出频率；间隔值；预分频系数；输出选项设置。

对于输出选项的设置，是在Line267通过或操作来实现，具体的可选参数可以看xttcps.h中的定义：

回到xttcps_intr_example中，Line267定义当前模式为间隔模式，同时设置了不输出波形。（如果这里设置输出波形，那么当计数器值等于匹配值的时候，会将输出进行翻转，实现波形输出）。

之后在Line275调用了SetupTimer函数，实现对单个定时器的具体设置。这一函数定义在Line469。注意信息的传递是通过TTC_TICK_DEVICE_ID来实现的。

主要实现的功能就是初始化设备（XTtcPs_LookupConfig、XTtcPs_CfgInitialize），将SetupTicker中的设置传递过来，分别包括（设置选项模式XTtcPs_SetOptions、计算间隔值XTtcPs_CalcIntervalFromFreq、设置间隔值XTtcPs_SetInterval、设置预分频系数XTtcPs_SetPrescaler）

设置完成后，就获得了设置好的设备TtcPsTick。

回到SetupTicker中，Line285实现对中断控制器的设置，将设备以及中断处理函数进行定义。

中断处理函数TickHandler定义在Line592，首先在Line599获取中断的类型，之后在Line600清除中断。在Line602对中断的类型进行判断，这里检测的是XTTCPS_IXR_INTERVAL_MASK，其定义以及其他类型的中断，我们可以在xttcps_hw.h找到，这里面定义了六种中断类型：

当检测到对应类型的中断，我们就利用TickCount对间隔终端出现的次数进行累加处理。

回到SetupTicker中，在Line294和Line300进行了中断的使能操作，之后在Line305设置开启定时器。

这个相信也是很多人比较关注的部分。

Line328实现一些设置信息，主要是将前面的数组第二个元素存储过来。

Line334设置间隔模式、匹配模式、并使能wave的输出，这里就保证了当计数值与匹配值相同的时候，输出信号就会发生翻转。从而可以利用间隔值设置PWM的周期，利用匹配值设置PWM的占空比。

Line342同样调用SetupTimer来实现对单个定时器的具体设置，具体说明可以看上面的部分。这一函数定义在Line469。注意信息的传递是通过TTC_PWM_DEVICE_ID来实现的。

主要实现的功能就是初始化设备（XTtcPs_LookupConfig、XTtcPs_CfgInitialize），将SetupPWM中的设置传递过来，分别包括（设置选项模式XTtcPs_SetOptions、计算间隔值XTtcPs_CalcIntervalFromFreq、设置间隔值XTtcPs_SetInterval、设置预分频系数XTtcPs_SetPrescaler）

设置完成后，就获得了设置好的设备TtcPsPWM

Line352通过调用XScuGic_Connect实现对中断控制器，设备ID，中断处理函数以及匹配值指针的设置。

中断处理函数PWMHandler定义在Line637，当检测到中断信号是间隔中断（也就是表示输出了一个周期），就会在Line653调用XTtcPs_SetMatchValue进行匹配值的设置，在代码注释中提到，匹配寄存器0是特殊的，如果输出被使能，当匹配值与计数值相等时，会修改输出的极性。

但是这个地方的注释是容易被误解的，TTC定时器的三个匹配寄存器功能是不一致的，并不是都可以用于波形的输出，在ZYNQ官方实例中，register0被指定为Special，也就是当计数器与register0的匹配值相等时，会触发特殊中断事件并翻转输出电平。经试验表明，对于同一个Counter来说，register1和register2并不会影响PWM输出的翻转，但是由于每个TTC中有三个Counter，其实可以设置三个register0的值来实现三个不同占空比PWM的输出。

回到SetupPWM中，在Line361和Line367进行了中断的使能操作，之后在Line372设置开启定时器。

这个函数定义在Line397，主要是通过当每一次循环输出一次PWM波之后，TickHandler函数会在Line607将PWM_UpdateFlag更新为TRUE，之后会在WaitForDutyCycleFull中满足if的条件，从而修改全局变量MatchValue的值。通过中断处理函数PWMHandler中的Line643，就实现了MatchValue对MatchReg的赋值，从而在Line653可以修改MatchReg的值，进而就修改了占空比。

整体逻辑只要抓住下面三点：1.间隔模式中断：在PWM周期结束更新flag；2.修改占空比：检测flag修改全局变量，改变占空比；3.PWM输出中断处理函数（也是间隔模式中断）将匹配值设置进去。

这里直接在Line236和Line238调用了XTtcPs_Stop实现了计数器的停止。

这就是本期的全部内容啦，如果你喜欢我的文章，不要忘了点赞+收藏+关注，分享给身边的朋友哇~