Author: 想文艺一点的程序员
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来自朱有鹏嵌入式的学习笔记

一、S5PV210的定时器

1、什么是定时器（timer）

1.定时器是SoC中常见外设
(1)定时器与计数器。计数器是用来计数的（每隔一个固定时间会计一个数）；因为计数器的计数时间周期是固定的，因此到了一定时间只要用计数值×计数时间周期，就能得到一个时间段，这个时间段就是我们定的时间（这就是定时器了）。
(2)定时器/计数器作为SoC的外设，主要用来实现定时执行代码的功能。定时器相对于SoC来说，就好象闹钟相对于人来说意义一样。

2.定时器有什么用
(1)定时器可以让SoC在执行主程序的同时，可以（通过定时器）具有计时功能，到了一定时间（计时结束）后，定时器会产生中断提醒CPU，CPU会去处理中断并执行定时器中断的ISR。从而去执行预先设定好的事件。

(2)定时器就好象是CPU的一个秘书一样，这个秘书专门管帮CPU来计时，并到时间后提醒CPU要做某件事情。所以CPU有了定时器之后，只需预先把自己xx时间之后必须要做的事情绑定到定时器中断ISR即可，到了时间之后定时器就会以中断的方式提醒CPU来处理这个事情。

3.定时器的原理
(1)定时器计时其实是通过计数来实现的。定时器内部有一个计数器，这个计数器根据一个时钟（这个时钟源来自于ARM的APB总线，然后经过时钟模块内部的分频器来分频得到）来工作。每隔一个时钟周期，计数器就计数一次，定时器的时间就是计数器计数值×时钟周期。

(2)定时器内部有1个寄存器TCNT，计时开始时我们会把一个总的计数值（譬如说300）放入TCNT寄存器中，然后每隔一个时钟周期（假设为1ms）TCNT中的值会自动减1（硬件自动完成，不需要CPU软件去干预），直到TCNT中减为0的时候，TCNT就会触发定时器中断。

(3)定时时间是由2个东西共同决定的：一个是TCNT中的计数值，一个是时钟周期。譬如上例中，定时周期就为300×1ms = 300ms。

4.定时器和看门狗、RTC、蜂鸣器的关系
(1)这几个东西都是和时间有关的部件。

(2)看门狗其实就是一个定时器，只不过定时时间到了之后不只是中断，还可以复位CPU

(3)RTC是实时时钟，它和定时器的差别就好象闹钟（定时器）和钟表（RTC）的差别一样。

(4)蜂鸣器是一个发声设备，在ARM里面蜂鸣器是用定时器模块来驱动的。

2、S5PV210中的定时器

在S5PV210内部，一共有4类定时器件。这4类定时器件的功能、特征是不同的。

1. PWM定时器

(1)这种是最常用的，平时所说的定时器一般指的是这个。像简单单片机（譬如51单片机）中的定时器也是这类。
(2)为什么叫PWM定时器，因为一般SoC中产生PWM信号都是靠这个定时器模块的。

2. 系统定时器（systick）
(1)系统（指的是操作系统）定时器，系统定时器也是用来产生固定时间间隔（TCNT×时钟周期）信号的，称为systick，这个systick用来给操作系统提供tick信号。
(2)产生systick作为操作系统的时间片（time slice）的。
(3)一般做操作系统移植的时候，这里不会由我们自己来做，一般原厂提供的基础移植部分就已经包含了，所以这里我也从来没有研究过。

3.看门狗定时器
(1)看门狗定时器本质上也是一个定时器，和上面2个没有任何本质区别。
(2)看门狗定时器可以设置在时间到了的时候产生中断，也可以选择发出复位信号复位CPU。
(3)看门狗定时器在实践中应用很多，尤其是工业领域（环境复杂、干扰多）机器容易出问题，而且出问题后后果很严重，此时一般都会用看门狗来进行系统复位。

4.实时时钟RTC（real time clock）
(1)区分时间段和时间点。时间段是相对的，两个时间点相减就会得到一个时间段；而时间点是绝对的，是绝无仅有的一个时间点。
(2)定时器关注的是时间段（而不是时间点），定时器计时从开启定时器的那一刻开始，到定的时间段结束为止产生中断；
RTC中工作用的是时间点（xx年x月x日x时x分x秒星期x）。
(3)RTC和定时器的区别，就相当于是钟表和闹钟的区别。

二、S5PV210的PWM定时器

为什么叫PWM定时器
(1)叫定时器说明它本质上的原理是定时器
(2)叫PWM定时器，是因为这个定时器天然是用来产生PWM波形的。

1、PWM定时器介绍（overview）

(1)S5PV210有5个PWM定时器。其中0、1、2、3各自对应一个外部GPIO，可以通过这些对应的GPIO产生PWM波形信号并输出；
timer4没有对应的外部GPIO（因此不是为了生成PWM波形而是为了产生内部定时器中断而生的）

(2)S5PV210的5个PWM定时器的时钟源为PCLK_PSYS，timer0和timer1共同使用一个预分频器、timer2、3、4共同使用一个预分频器；每个timer有一个专用的独立的分频器；预分频器和分频器构成了2级分频系统，将PCLK_PSYS两级分频后生成的时钟供给timer模块作为时钟周期。

2、Figure（时钟框图）

关键点：时钟源、预分频器(prescaler)、分频器(MUX)、TCMPB&TCNTB、dead zone

预分频器与分频器
(1)两级分频是串联（级联）的，所以两级分频的分频数是相乘的。
(2)两级分频的分频系数分别在TCFG0和TCFG1两个寄存器中设置。

(3)预分频器有2个，prescaler0为timer0&timer1共用；prescaler1为timer2、3、4共用；两个prescaler都是8个bit位，因此prescaler value范围为0～255；所以预分频器的分频值范围为1～256（注意实际分频值为prescaler value + 1,为了防止程序员设置初始值为0而造成错误）。
(4)分频器实质上是一个MUX开关，多选一开关决定了走哪个分频系数路线。可以选择的有1/1，1/2，1/4，1/8，1/16等。

(5)计算一下，两级分频下来，分频最小为1/1（也可能是1/2），最大分频为1/256×16（1/4096）.

(6)在PCLK_PSYS为66MHz的情况下（默认时钟设置就是66MHz的），此时两级分频后的时钟周期范围为0.03us到62.061us；再结合TCNTB的值的设置（范围为1～2的32次方），可知能定出来的时间最长为266548.27s（折合74小时多，远远够用了）。

3、有关寄存器

1、TCFG0 ,。（配置寄存器，配置一级预分频系数）

prescaler0为timer0&timer1共用；prescaler1为timer2、3、4共用；两个prescaler都是8个bit位，因此prescaler value范围为0～255；所以预分频器的分频值范围为1～256（注意实际分频值为prescaler value + 1,为了防止程序员设置初始值为0而造成错误）。

2、TCFG1（配置寄存器，配置二级分频系数）

3、TCON（Timer control 寄存器）配置各种开关

4、TCNT（timer count），TCNTB（time count buffer 缓冲器），TCNTO ， TCMP&TCMPB

注:

• TCNT: 这个是不可以访问的，因为他是soc内部已经设置好了，用来加减的。
• TCNTB：我们给这个寄存器来写入值，他会将我们写入的值装载到 TCNT里面。
• TCNTO：这个寄存器 observe ，观察寄存器，是我们用来进行读取，减到哪里的寄存器。
• 同理：TCMP这个寄存器也是不可以访问的，我们是通过 TCMPB来进行访问。

自动重载和双缓冲（auto-reload and double buffering）
(1)定时器工作的时候，一次定时算一个工作循环。定时器默认是单个循环工作的，也就是说定时一次，计时一次，到期中断一次就完了。下次如果还要再定时中断，需要另外设置。

(2)但是现实中用定时器来做的时候往往是循环的，最简单最笨的方法就是写代码反复重置定时器寄存器的值（在每次中断处理的isr中再次给TCNTB中赋值，再次刷到TCNT中再次启动定时器），早期的单片机定时器就是这样的；
但是现在的高级SoC中的定时器已经默认内置了这种循环定时工作模式，就叫自动装载（auto-reload）机制。

(3)自动装载机制就是当定时器初始化好开始计时后再不用管了，他一个周期到了后会自己从TCNTB中再次装载值到TCNT中，再次启动定时器开始下个循环。

三、PWM

1、什么是PWM？

(1)PWM(pulse wide modulation 脉宽调制)

(2)PWM波形是一个周期性波形，周期为T，在每个周期内波形是完全相同的。每个周期内由一个高电平和一个低电平组成。

(3)PWM波形有2个重要参数：一个是周期T，另一个是占空比duty（占空比就是一个周期内高电平的时间除以周期时间的商）。

(4)对于一个PWM波形，知道了周期T和占空比duty，就可以算出这个波形的所有细节。譬如高电平时间为Tduty，低电平时间为T(1-duty)。

(5)PWM波形有很多用处，譬如通信上用PWM来进行脉宽调制对基波进行载波调制；在发光二极管LED照明领域可以用PWM波形来调制电流进行调光；用来驱动蜂鸣器等设备。

2、PWM波形的生成原理

(1)PWM波形其实就是用时间来控制电平高低，所以用定时器来实现PWM波形是天经地义的。
(2)早期的简单单片机里（譬如51单片机）是没有专用的PWM定时器的，那时候我们需要自己结合GPIO和定时器模块来手工生产PWM波形（流程是这样：先将GPIO引脚电平拉高、同时启动定时器定Tduty时间，时间到了在isr中将电平拉低，然后定时T(1-duty)后再次启动定时器，然后时间到了后在isr中将电平拉高，然后再定时T*duty时间再次启动定时器····如此循环即可得到周期为T，占空比为duty的PWM波形）。

(3)后来因为定时器经常和PWM产生纠结一起，所以设计SoC的时候就直接把定时器和一个GPIO引脚内部绑定起来了，然后在定时器内部给我们设置了PWM产生的机制，可以更方便的利用定时器产生PWM波形。此时我们利用PWM定时器来产生PWM波形再不用中断了。绑定了之后坏处就是GPIO引脚是固定的、死板的、不能随便换的；好处是不用进入中断isr中，直接可以生成PWM。

(4)在S5PV210中，PWM波形产生有2个寄存器很关键，一个是TCNTB、一个是TCMPB。其中，TCNTB决定了PWM波形的周期，TCMPB决定了PWM波形的占空比。

(5)最终生成的PWM波形的周期是：TCNTB×时钟周期（PCLK_PSYS经过两极分频后得到的时钟周期）。注意这个周期是PWM中高电平+低电平的总时间，不是其中之一。

(6)最终生成的PWM波形的占空比是：TCMPB/TCNTB

3、输出电平翻转器

(1)PWM定时器可以规定：当**TCNT>TCMPB时为高电平，当TCNT<TCMPB时为低电平。**也可以规定：当TCNT>TCMPB时为低电平，当TCNT<TCMPB时为高电平。在这两种规定下，计算时TCMP寄存器的值会变化。

(2)基于上面讲的，当duty从30%变到70%时，我们TCMPB寄存器中的值就要改（譬如TCNTB中是300时，TCMPB就要从210变化到90）。这样的改变可以满足需要，但是计算有点麻烦。于是乎210的PWM定时器帮我们提供了一个友好的工具叫做电平翻转器。

(3)电平翻转器在电路上的实质就是一个电平取反的部件，在编程上反映为一个寄存器位。写0就关闭输出电平反转，写1就开启输出电平反转。开启后和开启前输出电平刚好高低反转。（输出电平一反转30%的duty就变成70%了）

四、蜂鸣器和PWM定时器编程实践

1、蜂鸣器的工作原理

(1)蜂鸣器里面有2个金属片，离的很紧但没挨着；没电的时候两个片在弹簧本身张力作用下分开彼此平行；有电的时候两边分别充电，在异性电荷的吸力作用下两个片挨着；

(2)我们只要以快速的频率给蜂鸣器的正负极：供电、断电。进行这样的循环，蜂鸣器的两个弹簧片就会挨着分开挨着分开···形成敲击，发出声音。

(3)因为人的耳朵能听见的声音频率有限制（20Hz-20000Hz），我们做实验时一般给个2KHz的频率，大部分人都能听到。

(4)频率高低会影响声音的音频，一般是音频越低声音听起来越低沉、音频越高听起来越尖锐。

(5)根据以上的分析，可以看出，只要用PWM波形的电压信号来驱动蜂鸣器，把PWM波形的周期T设置为要发出的声音信号的1/频率即可；PWM的占空比只要确保能驱动蜂鸣器即可（驱动能力问题，一般引脚驱动能力都不够，所以蜂鸣器会额外用三极管来放大流来供电）。

2、原理图和硬件信息

(1)查阅原理图可知，开发板底板上的蜂鸣器通过GPD0_2（XpwmTOUT2）引脚连接在SoC上。


(2)GPD0_2引脚通过限流电阻接在三极管基极上，引脚有电蜂鸣器就会有电（三极管导通）；引脚没电蜂鸣器就会没电（三极管关闭）。这些都是硬件问题，软件工程师不用管，软件工程师只要写程序控制GPD0_2引脚的电平产生PWM波形即可。

(3)GPD0CON(0xE02000A0)，要把bit8～bit11设置为0b0010（功能选择为TOUT_2，就是把这个引脚设置为PWM输出功能）

3、PWM定时器的主要寄存器详解

1、TCFG0：（预分频器）

2、TCFG1：（分频器）

3、TCON：

4、TCNTB2、TCMPB2的计算：
我们的时钟频率是500KHz，对应的时钟周期是2us。也就是说每隔2us 计一次数。

如果要定的时间是x，则TCNTB中应该写入
rTCNTB2 = 250; // 0.5ms/2us = 500us/2us = 250
rTCMPB2 = 125; // duty = 50%