PotatoPie 4.0 实验教程(41) —— FPGA实现RISC-V 扩展 GPIO UART Timer功能

TD工程介绍

我们提供的TD工程里的RISC-V核默认就开启了GPIO UART扩展，可以看到还有SPI和I2C扩展。因此后面的实验中TD的工程我们基本不怎么修改TD的内容，只需要修改TD工具中Soc_Top.v 文件中的TCM0_INITFILE 为FD生成的固件名称即可，主要修我以为都是在FD工程进行修改即可。

FD工程介绍

这个工程我们主要演示了如何使用UART及UART中断，如何使用定时器中断，以及如何使用GPIO和GPIO中断。

FD工程导入

打开FD选择workspace为 demo_riscv\wkspace就会自动导入该workspace下的所有项目。

由于你的FD的目录与我的FD目录不在同一个位置，会导致编译器工具链的找不着，我们需要在工程上右键选择Reset Project Toolchain，

执行完这个操作就FD会重新修正工程的工具链配置。

FD工程源代码分析

头文件、宏定义及全局变量介绍

头文件

#include "core.h" // 核心头文件

//#define USE_MTIME // 不使用MTIME

#include "uart.h" // UART 头文件

#include "gpio.h" // GPIO 头文件

#include "anl_printf.h" // 打印库头文件

#include "interrupt.h" // 中断库头文件

#ifdef USE_MTIME

#include "mtime.h" // 如果使用 MTIME，则引入 MTIME 头文件

#else

#include "systick.h" // 否则引入 SysTick 头文件

#endif

1. #include "core.h"：这个头文件是系统的核心头文件，通常包含了与硬件相关的低级别配置和宏定义。它可能包含了处理器寄存器的定义、中断控制器配置等内容。

2. #include "uart.h"：这个头文件包含了 UART（通用异步收发传输）相关的函数声明和宏定义。

3. #include "gpio.h"：这个头文件包含了 GPIO（通用输入输出）相关的函数声明和宏定义。

4. #include "anl_printf.h"：这个头文件包含了打印函数的声明和定义。

5. #include "interrupt.h"：这个头文件包含了中断控制器相关的函数声明和宏定义。

6. #ifdef USE_MTIME：这是一个条件编译指令，用于根据是否定义了 USE_MTIME 宏来选择性地包含不同的头文件内容。

7. #include "mtime.h"：如果定义了 USE_MTIME 宏，就会包含这个头文件。它可能包含了 MTIME（Machine Timer）相关的函数声明和宏定义，用于配置和操作处理器的计时器。

8. #include "systick.h"：如果没有定义 USE_MTIME 宏，就会包含这个头文件。它可能包含了 SysTick 定时器相关的函数声明和宏定义，用于配置和操作 SysTick 定时器。

9. Systick 和 MTIME 定时器的区别主要是其资源占用和操作模式。 Systick 是一个自动重装的 30bit 定时器，用户需要使用 SetSystickCfg()函数启用定时器，并在定时器中断处理程序中使用 ClrSystickInt()函数清除掉挂起的定时器状态对于 MTIME 定时器而言，它的初始化和中断响应都是使用 SetMtimeCmp()函数将下一时钟节拍的计数值装入定时器比较值中。

全局变量sys_banner

static char sys_banner[] = {"- Anlogic eMCU buildtime [" __TIME__" " __DATE__ "] " "rev 1.0 \r\n"};

这行代码定义了一个静态字符数组 sys_banner，用于存储系统的横幅信息。该信息包含了编译时间和日期，以及版本号。

• __TIME__：编译时的时间，格式为 HH:MM:SS。
• __DATE__：编译时的日期，格式为 MMM DD YYYY（月份、日期、年份）。

这两个宏是编译器提供的预定义宏，在编译时会被替换为当前的编译时间和日期。在这里，它们被用于构建一个包含编译时间和日期的字符串。

宏定义

//THIS DEMO IS FOR SYSTICK SYSTEM

#define SYS_FREQ 80000000 // 系统频率

#define UART_BAUD 115200 // UART 波特率

#define GPIO_INTSRC 0x04 // GPIO 中断源

#define UART1_INTSRC 0x01 // UART1 中断源

#define TIM_TRIG_FREQ 1 // 定时器触发频率，每秒1次

这段代码是一些预定义的常量和注释，用于描述程序的一些基本参数和特性：

1. // THIS DEMO IS FOR SYSTICK SYSTEM：这是一个注释，用于说明这段代码是针对 SysTick 系统设计的演示程序。

2. #define SYS_FREQ 80000000：这是一个宏定义，表示系统的频率为 80MHz。这个频率用于配置定时器、UART 通信等时序相关的功能。

3. #define UART_BAUD 115200：这是一个宏定义，表示 UART 的波特率为 115200。波特率是串行通信中表示数据传输速率的参数。

4. #define GPIO_INTSRC 0x04：这是一个宏定义，表示 GPIO 中断源的值为 0x04。在某些系统中，GPIO 的中断可以被多个源触发，此处定义了其中一个源的标识值。

5. #define UART1_INTSRC 0x01：这是一个宏定义，表示 UART1 中断源的值为 0x01。类似于上面的 GPIO 中断源，这里定义了 UART1 中断的标识值。

6. #define TIM_TRIG_FREQ 1：这是一个宏定义，表示定时器的触发频率为每秒 1 次。这个参数用于配置定时器中断的触发频率，可以根据需要进行调整。

函数说明

main()函数

• 先配置UART

// 配置 UART 参数

Uart_Config UART1_Cfg;

UART1_Cfg.BaudDivider=(SYS_FREQ/UART_BAUD);

UART1_Cfg.IntEnable=True;

UART1_Cfg.Event_ParityCheckFail=False;

UART1_Cfg.Event_RxFifoHalfFull=False;

UART1_Cfg.Event_TxFifoHalfEmpty=False;

UART1_Cfg.Event_RxBufFull=True;

UART1_Cfg.Event_TxBufEmpty=False;

UART1_Cfg.RxFifoEnable=False;

UART1_Cfg.TxFifoEnable=True;

UART1_Cfg.Parity=NONE;

UART1_Cfg.Stop=ONE;

uart_applyConfig(UART,&UART1_Cfg);

这段代码是配置 UART 参数的过程，具体的配置包括：

• BaudDivider：波特率分频器，根据系统时钟频率 SYS_FREQ 和波特率 UART_BAUD 计算得出。
• IntEnable：使能 UART 中断。
• Event_ParityCheckFail：奇偶校验失败事件的处理，设置为 False 表示不处理。
• Event_RxFifoHalfFull：接收 FIFO 缓冲区半满事件的处理，设置为 False 表示不处理。
• Event_TxFifoHalfEmpty：发送 FIFO 缓冲区半空事件的处理，设置为 False 表示不处理。
• Event_RxBufFull：接收缓冲区满事件的处理，设置为 True 表示处理。
• Event_TxBufEmpty：发送缓冲区空事件的处理，设置为 False 表示不处理。
• RxFifoEnable：使能接收 FIFO 缓冲区，设置为 False 表示不使用 FIFO 缓冲区。
• TxFifoEnable：使能发送 FIFO 缓冲区，设置为 True 表示使用 FIFO 缓冲区。
• Parity：奇偶校验类型，设置为 NONE 表示不使用奇偶校验。
• Stop：停止位数，设置为 ONE 表示一个停止位。

最后，通过 uart_applyConfig 函数将以上配置应用到 UART 上。

• 配置完后打印系统信息

// 打印系统信息

anl_printf("---------------------------------------------------------------- \r\n");

anl_printf("- SoftCore Demo : RISCV(Freq 80MHz. 32kB RAM. Full Feature) \r\n");

anl_printf("- Hardware Platform : EG4S20NG88 PotatoPie V4.0 \r\n");

anl_printf("- TD Ver. : TD 5.6.4(97693) \r\n");

anl_printf("- OS+Build+Debug : Windows, OpenOCD + Riscv-none-embed. \r\n");

anl_printf("- Test Case : UART Interrupt Demo \r\n");

anl_printf(sys_banner);

anl_printf("---------------------------------------------------------------- \r\n");

这段代码使用 anl_printf 函数打印了一段系统信息。让我们来逐行解释：

• anl_printf("---------------------------------------------------------------- \r\n");

  打印了一条分隔线，用于美观和区分信息的开头。

• anl_printf("- SoftCore Demo : RISCV(Freq 80MHz. 32kB RAM. Full Feature) \r\n");

  打印了系统的软核演示信息，包括软核类型（RISCV）、频率（80MHz）、RAM 大小（32kB）和功能（全功能）。

• anl_printf("- Hardware Platform : EG4S20NG88 PotatoPie V4.0 \r\n");

  打印了硬件平台信息，包括硬件平台型号（EG4S20NG88）和版本（PotatoPie V4.0）。

• anl_printf("- TD Ver. : TD 5.6.4(97693) \r\n");

  打印了测试开发工具的版本信息，包括版本号（TD 5.6.4）和编译号（97693）。

• anl_printf("- OS+Build+Debug : Windows, OpenOCD + Riscv-none-embed. \r\n");

  打印了操作系统、构建环境和调试工具的信息，包括操作系统类型（Windows）和使用的调试工具（OpenOCD + Riscv-none-embed）。

• anl_printf("- Test Case : UART & GPIO Interrupt, SPI Master Demo \r\n");

  打印了测试用例的信息，包括测试的内容（UART & GPIO 中断、SPI 主控演示）。

• anl_printf(sys_banner);

  打印了之前定义的 sys_banner 字符串，其中包含了编译时间和日期的信息。

• anl_printf("---------------------------------------------------------------- \r\n");

  再次打印了一条分隔线，用于美观和区分信息的结尾。

SetSystickCfg((SYS_FREQ/TIM_TRIG_FREQ),True);

ClrSystickInt();

这两行代码用于配置和清除 SysTick 定时器的设置：

1. SetSystickCfg((SYS_FREQ/TIM_TRIG_FREQ),True);：

   • 这行代码调用了 SetSystickCfg 函数，用于设置 SysTick 定时器的配置。
   • 第一个参数 (SYS_FREQ/TIM_TRIG_FREQ) 表示每秒钟 SysTick 定时器的时钟周期数，它是系统频率 SYS_FREQ 除以定时器触发频率 TIM_TRIG_FREQ 的结果。
   • 第二个参数 True 表示启用 SysTick 定时器。

2. ClrSystickInt();：

   • 这行代码调用了 ClrSystickInt 函数，用于清除 SysTick 中断标志位。
   • 这样做是为了确保在进入主循环之前，任何可能触发的 SysTick 中断都被处理，以免影响程序的正常执行。

// 设置中断掩码

SetIntMask(UART1_INTSRC | GPIO_INTSRC);

uart_ClrEvent(UART,0xFF); //清除全部UART中断

ClrIntEvent(0xFFFFFFFF); // 清除所有中断

GPIO_A->OUTPUT_ENABLE=0x0000FFFF;

GPIO_A->GPIO_INTMASK=0xFFFFFFFF; // 允许所有 GPIO 发送中断

这段代码用于配置中断掩码和清除所有中断：

1. SetIntMask(UART1_INTSRC | GPIO_INTSRC);：

   • 这行代码调用了 SetIntMask 函数，用于设置中断掩码。通过将 UART1_INTSRC 和 GPIO_INTSRC 按位或运算，将 UART1 和 GPIO 的中断源加入到中断掩码中。
   • 这样做的目的是指定哪些中断将被允许触发。

2. uart_ClrEvent(UART, 0xFF);：

   • 这行代码调用了 uart_ClrEvent 函数，清除了 UART 的所有中断事件。
   • 第一个参数 UART 指定了要清除中断事件的 UART 模块。
   • 第二个参数 0xFF 表示清除所有类型的 UART 中断事件。

3. ClrIntEvent(0xFFFFFFFF);：

   • 这行代码调用了 ClrIntEvent 函数，清除了所有的中断事件。
   • 传递的参数 0xFFFFFFFF 表示清除所有中断事件。

4. GPIO_A->OUTPUT_ENABLE = 0x0000FFFF;：

   • 这行代码设置了 GPIO_A 模块的输出使能寄存器，使得 GPIO_A 的低 16 位引脚成为输出引脚。

5. GPIO_A->GPIO_INTMASK = 0xFFFFFFFF;：

   • 这行代码设置了 GPIO_A 模块的中断掩码寄存器，允许所有 GPIO_A 引脚产生中断。

while (1)

{

GPIO_A->OUTPUT=i;

i=i+1;

Delay(5000000);

anl_printf("Hello Main!\r\n");

}

这个 while 循环是程序的主循环，它会不断地执行以下操作：

1. GPIO_A->OUTPUT=i;：

   • 将变量 i 的值写入 GPIO_A 模块的输出寄存器中，控制 GPIO_A 的输出状态。每次循环迭代，i 的值会递增。
   • 这个操作会改变 GPIO_A 引脚的输出状态，具体的改变依赖于 i 的值。

2. i=i+1;：

   • 递增变量 i 的值，用于改变 GPIO_A 输出状态的控制值。

3. Delay(5000000);：

   • 调用 Delay 函数，使程序停顿一段时间。在这里，函数的参数 5000000 表示延时的周期数，具体延时时长由系统时钟频率决定。

4. anl_printf("Hello Main!\r\n");：

   • 打印字符串 "Hello Main!\r\n" 到串行终端，向用户输出一条消息。

这样，循环将一直重复执行上述步骤，不断改变 GPIO_A 的输出状态，延时一段时间，然后打印一条消息，形成一个周期性的操作。

其它函数

void Delay(int cycle)

{

int i;

for (i=0;i<cycle;i++)

asm volatile(

"add x0, x0, x0"

);

}

这个Delay函数是一个简单的延时循环，它通过重复执行一个无操作的操作add x0, x0, x0来等待指定数量的周期。asm volatile语句用于将汇编语言直接嵌入到C代码中，提供一种执行可能无法直接用C表达的机器指令的方法。

它的功能说明：

• for循环执行cycle次。
• 在循环内部，它执行一个汇编指令，将寄存器x0的内容加到自身，并将结果存回x0。
• 由于这是一个无操作指令（它将一个值加到自身，实际上什么都没做），它实际上是一个消耗CPU周期的循环，没有执行任何有意义的计算。

这个函数可用于在时间敏感的应用程序中创建延时，例如控制某些操作的时序。然而，需要注意的是，延迟的持续时间取决于各种因素，包括处理器速度和优化设置，因此它可能不太精确，也不适用于不同平台。

// 定时器中断服务函数

void TimerISP()

{

#ifdef USE_MTIME

uint64_t mtime_calc;

mtime_calc=GetMTimeCnt()+(SYS_FREQ/TIM_TRIG_FREQ);

SetMTimeCmp(mtime_calc);

#else

ClrSystickInt();

#endif

GPIO_A->OUTPUT = ~(GPIO_A->OUTPUT);

anl_printf("Hello Tick!\r\n");

return;

}

这是定时器中断服务函数 TimerISP。根据编译时是否定义了 USE_MTIME 宏，函数会有不同的行为：

1. 如果定义了 USE_MTIME：

   • 函数首先声明了一个 uint64_t 类型的变量 mtime_calc，用于计算下一次定时器中断的触发时间。
   • 调用 GetMTimeCnt() 函数获取当前的 MTIME 计数值，即当前时间。
   • 根据系统频率 SYS_FREQ 和定时器触发频率 TIM_TRIG_FREQ 计算下一次定时器中断触发的时间点，并将结果存储在 mtime_calc 中。
   • 调用 SetMTimeCmp 函数设置 MTIME 比较寄存器，使得下一次定时器中断在计算得到的时间点触发。
   • 最后，将 GPIO_A 的输出取反，即翻转输出状态，并打印 "Hello Tick!\r\n" 消息。

2. 如果未定义 USE_MTIME：

   • 则调用 ClrSystickInt() 函数清除 SysTick 定时器中断标志。
   • 接着，将 GPIO_A 的输出取反，即翻转输出状态，并打印 "Hello Tick!\r\n" 消息。

无论哪种情况，这个函数都用于定时器中断服务，每当定时器中断触发时，GPIO_A 的输出状态都会取反，并输出一条消息。

// UART1 中断服务函数

void UART1_ISP()

{

char recv_value;

while(uart_GetEvent(UART,UartRxVld))

{

uart_write(UART,uart_read(UART));

}

uart_ClrEvent(UART,UartRxBufFull | UartRxBufHfFull);

ClrIntEvent(UART1_INTSRC);

}

这是 UART1 的中断服务函数 UART1_ISP。当 UART1 接收到数据时，该函数会执行以下操作：

1. 声明一个 char 类型的变量 recv_value，用于存储接收到的数据。

2. 使用 while 循环结构，调用 uart_GetEvent 函数检查 UART 接收缓冲区是否有数据可用（即接收到有效数据）。如果接收到数据，则进入循环体。

3. 在循环体内，调用 uart_read 函数读取 UART 接收缓冲区中的数据，并立即将其通过 uart_write 函数写回 UART 发送缓冲区。这实现了一种称为回显（echo）的功能，即将接收到的数据原样发送回去。

4. 循环继续，直到 UART 接收缓冲区中没有数据可用。

5. 调用 uart_ClrEvent 函数清除 UART 接收缓冲区满和半满的标志位，以及清除 UART1 中断标志位。

总的来说，该函数实现了 UART1 接收数据并回显的功能，同时清除相关的中断标志位。

void GPIO_ISP()

{

anl_printf("Hello Click!\r\n");

ClrIntEvent(GPIO_INTSRC);

}

这是 GPIO 的中断服务函数 GPIO_ISP。当 GPIO 触发中断时，该函数会执行以下操作：

1. 使用 anl_printf 函数打印字符串 "Hello Click!\r\n"，提示发生了 GPIO 中断。

2. 调用 ClrIntEvent 函数清除 GPIO 中断源（即 GPIO_INTSRC 对应的中断标志位），以确认已处理完中断事件。

void ExternalISP()

{

uint32_t temp;

temp=GetIntEvent();

if(temp&UART1_INTSRC)

UART1_ISP();

if(temp&GPIO_INTSRC)

GPIO_ISP();

else

{

anl_printf("UNKNOWN INT SRC! SRC= 0x%x",temp);

while(1);

}

}

这是外部中断服务函数 ExternalISP。当发生外部中断时，该函数会执行以下操作：

1. 声明一个 uint32_t 类型的变量 temp，用于存储当前发生的中断事件。

2. 调用 GetIntEvent 函数获取当前的中断事件。

3. 使用条件语句检查中断事件的类型：

   • 如果 temp 中包含 UART1_INTSRC 标志位，则执行 UART1 的中断服务函数 UART1_ISP。
   • 如果 temp 中包含 GPIO_INTSRC 标志位，则执行 GPIO 的中断服务函数 GPIO_ISP。
   • 如果 temp 中不包含以上任何一种中断源的标志位，则打印消息 "UNKNOWN INT SRC! SRC= 0x%x"，其中 %x 是 temp 的十六进制表示，表示未知的中断来源，并进入无限循环。

工程源码在这个路径：

实验结果：

在 《PotatoPie 4.0 实验教程(40) ------ FPGA实现RISC-V工程创建和调试》教程里我们知道如何创建，编译下载和调试RISCV工程，我们这里先只编译FD工程，而不用FD进行下载。

在TD中我们需要修改TD Soc_Top.v 文件中的TCM0_INITFILE为，并重新编译TD工程。

parameter TCM0_INITFILE="../../../../../wkspace/hello_world/Debug/hello_world.bin.mif";

然后打开看串口助手之类的工具，设置串口波特率为115200，8N1模式。

最后后用TD工具的JTAG下载功能下载到FPGA之中，在串口工具中我们将看到如下输出：

同时可以看到板上蓝灯一秒一闪烁。

如果你的FPGA中已下载过之前的RISCV软核位流，那么可以也可以直接在FD中点击这个进行代码运行，而不用重新编译和下载FPGA程序。