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計算機實驗室之樹莓派:課程 4 OK04 | Linux 中國

OK04 課程在 OK03 的基礎上進行構建,它教你如何使用定時器讓 OK 或 ACT LED 燈按精確的時間間隔來閃爍。

— Robert Mullins

 

OK04 課程在 OK03 的基礎上進行構建,它教你如何使用定時器讓 OK 或 ACT LED 燈按精確的時間間隔來閃爍。假設你已經有了 課程 3:OK03[1] 的操作系統,我們將以它為基礎來構建。

1、一個新設備

定時器是樹莓派保持時間的唯一方法。大多數計算機都有一個電池供電的時鐘,這樣當計算機關機後仍然能保持時間。

到目前為止,我們僅看了樹莓派硬體的一小部分,即 GPIO 控制器。我只是簡單地告訴你做什麼,然後它會發生什麼事情。現在,我們繼續看定時器,並繼續帶你去瞭解它的工作原理。

和 GPIO 控制器一樣,定時器也有地址。在本案例中,定時器的基地址在 2000300016。閱讀手冊我們可以找到下麵的表:

表 1.1 GPIO 控制器暫存器

< 如顯示不全,請左右滑動 >
地址 大小 / 位元組 名字 描述 讀或寫
20003000 4 Control / Status 用於控制和清除定時器通道比較器匹配的暫存器 RW
20003004 8 Counter 按 1 MHz 的頻率遞增的計數器 R
2000300C 4 Compare 0 0 號比較器暫存器 RW
20003010 4 Compare 1 1 號比較器暫存器 RW
20003014 4 Compare 2 2 號比較器暫存器 RW
20003018 4 Compare 3 3 號比較器暫存器 RW

Flowchart of the system timer’s operation

這個表只告訴我們一部分內容,在手冊中描述了更多的欄位。手冊上解釋說,定時器本質上是按每微秒將計數器遞增 1 的方式來運行。每次它是這樣做的,它將計數器的低 32 位(4 位元組)與 4 個比較器暫存器進行比較,如果匹配它們中的任何一個,它更新 Control/Status 以反映出其中有一個是匹配的。

關於bit位元組byte位欄位bit field、以及資料大小的更多內容如下:

一個位是一個單個的二進制數的名稱。你可能還記得,一個單個的二進制數既可能是一個 1,也可能是一個 0。

一個位元組是一個 8 位集合的名稱。由於每個位可能是 1 或 0 這兩個值的其中之一,因此,一個位元組有 28 = 256 個不同的可能值。我們一般解釋一個位元組為一個介於 0 到 255(含)之間的二進制數。

Diagram of GPIO function select controller register 0.

一個位欄位是解釋二進制的另一種方式。二進制可以解釋為許多不同的東西,而不僅僅是一個數字。一個位欄位可以將二進制看做為一系列的 1(開) 或 0(關)的開關。對於每個小開關,我們都有一個意義,我們可以使用它們去控制一些東西。我們已經遇到了 GPIO 控制器使用的位欄位,使用它設置一個針腳的開或關。位為 1 時 GPIO 針腳將準確地打開或關閉。有時我們需要更多的選項,而不僅僅是開或關,因此我們將幾個開關組合到一起,比如 GPIO 控制器的函式設置(如上圖),每 3 位為一組控制一個 GPIO 針腳的函式。

我們的標的是實現一個函式,這個函式能夠以一個時間數量為輸入來呼叫它,這個輸入的時間數量將作為等待的時間,然後傳回。想一想如何去做,想想我們都擁有什麼。

我認為這將有兩個選擇:

1. 從計數器中讀取一個值,然後保持分支傳回到相同的代碼,直到計數器的等待時間數量大於它。
2. 從計數器中讀取一個值,加上要等待的時間數量,將它儲存到比較器暫存器,然後保持分支傳回到相同的代碼處,直到 Control / Status 暫存器更新。

這兩種策略都工作的很好,但在本教程中,我們將只實現第一個。原因是比較器暫存器更容易出錯,因為在增加等待時間並儲存它到比較器的暫存器期間,計數器可能已經增加了,並因此可能會不匹配。如果請求的是 1 微秒(或更糟糕的情況是 0 微秒)的等待,這樣可能導致非常長的意外延遲。

像這樣存在被稱為“併發問題”的問題,並且幾乎無法解決。

2、實現

我將把這個創建完美的等待方法的挑戰基本留給你。我建議你將所有與定時器相關的代碼都放在一個名為 systemTimer.s 的檔案中(理由很明顯)。關於這個方法的複雜部分是,計數器是一個 8 位元組值,而每個暫存器僅能儲存 4 位元組。所以,計數器值將分到 2 個暫存器中。

大型的操作系統通常使用等待函式來抓住機會在後臺執行任務。

下列的代碼塊是一個示例。

  1. ldrd r0,r1,[r2,#4]

ldrd regLow,regHigh,[src,#val] 從 src 中的數加上 val 之和的地址加載 8 位元組到暫存器 regLow 和 regHigh 中。

上面的代碼中你可以發現一個很有用的指令是 ldrd。它加載 8 位元組的記憶體到兩個暫存器中。在本案例中,這 8 位元組記憶體從暫存器 r2 中的地址 + 4 開始,將被覆制進暫存器 r0 和 r1。這種安排的稍微複雜之處在於 r1 實際上只持有了高位 4 位元組。換句話說就是,如果如果計數器的值是 999,999,999,99910 = 11101000110101001010010100001111111111112 ,那麼暫存器 r1 中只有 111010002,而暫存器 r0 中則是 110101001010010100001111111111112

實現它的更明智的方式應該是,去計算當前計數器值與來自方法啟動後的那一個值的差,然後將它與要求的等待時間數量進行比較。除非恰好你希望的等待時間是占用 8 位元組的,否則上面示例中暫存器 r1 中的值將會丟棄,而計數器僅需要使用低位 4 位元組。

當等待開始時,你應該總是確保使用大於比較,而不是使用等於比較,因為如果你嘗試去等待一個時間,而這個時間正好等於方法開始的時間與結束的時間之差,那麼你就錯過這個值而永遠等待下去。

如果你不明白如何編寫等待函式的代碼,可以參考下麵的指南。

借鑒 GPIO 控制器的創意,第一個函式我們應該去寫如何取得系統定時器的地址。示例如下:

  1. .globl GetSystemTimerBase
  2. GetSystemTimerBase:
  3. ldr r0,=0x20003000
  4. mov pc,lr

另一個被證明非常有用的函式是傳回在暫存器 r0 和 r1 中的當前計數器值:

  1. .globl GetTimeStamp
  2. GetTimeStamp:
  3. push {lr}
  4. bl GetSystemTimerBase
  5. ldrd r0,r1,[r0,#4]
  6. pop {pc}

這個函式簡單地使用了 GetSystemTimerBase 函式,並像我們前面學過的那樣,使用 ldrd 去加載當前計數器值。

現在,我們可以去寫我們的等待方法的代碼了。首先,在該方法啟動後,我們需要知道計數器值,我們可以使用 GetTimeStamp 來取得。

  1. delay .req r2
  2. mov delay,r0
  3. push {lr}
  4. bl GetTimeStamp
  5. start .req r3
  6. mov start,r0

這個代碼複製了我們的方法的輸入,將延遲時間的數量放到暫存器 r2 中,然後呼叫 GetTimeStamp,這個函式將會傳回暫存器 r0 和 r1 中的當前計數器值。接著複製計數器值的低位 4 位元組到暫存器 r3 中。

接下來,我們需要計算當前計數器值與讀入的值的差,然後持續這樣做,直到它們的差至少是 delay 的大小為止。

  1. loop$:
  2. bl GetTimeStamp
  3. elapsed .req r1
  4. sub elapsed,r0,start
  5. cmp elapsed,delay
  6. .unreq elapsed
  7. bls loop$

這個代碼將一直等待,一直到等待到傳遞給它的時間數量為止。它從計數器中讀取數值,減去最初從計數器中讀取的值,然後與要求的延遲時間進行比較。如果過去的時間數量小於要求的延遲,它切換回 loop$

  1. .unreq delay
  2. .unreq start
  3. pop {pc}

代碼完成後,函式傳回。

3、另一個閃燈程式

你一旦明白了等待函式的工作原理,修改 main.s 去使用它。修改各處 r0 的等待設置值為某個很大的數量(記住它的單位是微秒),然後在樹莓派上測試。如果函式不能正常工作,請查看我們的排錯頁面。

如果正常工作,恭喜你學會控制另一個設備了,會使用它,則時間由你控制。在下一節課程中,我們將完成 OK 系列課程的最後一節 課程 5:OK05[2],我們將使用我們已經學習過的知識讓 LED 按我們的樣式進行閃爍。

 

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