2 1. Introduzione Alcune note di base sui timer

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1 1. Introduzione I sistemi embedded devono spesso disporre di elementi che siano in grado di misurare intervalli di tempo con una risoluzione confrontabile al periodo del clock dell'apparato stesso. Le applicazioni tipiche di tali periferiche vanno dalla generazione di ritardi di precisione alla trasmissione o ricezione di segnali digitali modulati nella larghezza dell'impulso, PWM, Pulse Width Modulation. Per questi scopi si dispone di timer: contatori comandati dal clock interno di sistema o da un segnale dedicato allo scopo e fornito dall'esterno. In questo secondo caso i timer possono essere quindi usati quali contatori veri e propri di eventi esterni. Si deve aggiungere che i timer possono essere programmati per fornire una particolare transizione di un segnale digitale d'uscita e generare, eventualmente, un interrupt quando il conteggio raggiunge un valore prefissato. La programmabilità prevede anche la possibilità di memorizzare il valore del conteggio nell'istante in cui si ha una particolare transizione di un segnale d'ingresso. In questi casi il timer è dotato di appositi ingressi di capture. Un ruolo particolare è rivestito dai timer di tipo watchdog (letteralmente, cane da guardia ). Un timer di questo tipo, se attivato, deve essere continuamente riprogrammato durante il normale flusso delle operazioni che il microcontrollore svolge. Se ciò non avviene, il watchdog è in grado di resettare il sistema dopo un periodo di tempo prefissato dalla sua ultima impostazione. Con esso allora sarà possibile far uscire il processore da una condizione di stallo che evidentemente aveva bloccato il normale svolgimento delle istruzioni. Questo, senza che debba intervenire l'azione di ripristino da parte di un operatore esterno (non si dimentichi che i sistemi embedded sono per lo più pensati per svolgere un lavoro in autonomia, cioè senza che vi sia la presenza di un operatore). A tutt'altra categoria appartengono i Real Time Clock, RTC, la cui

2 2 1. Introduzione principale funzione è di orologio e datario per il sistema. Tipicamente pilotati da un segnale di clock dedicato esterno 1, gli RTC hanno una base dei tempi di 1 s (a volte anche frazioni). Orario e data sono memorizzati nei diversi registri di cui dispone l'rtc, comprendendo anche giorno del mese, mese e anno (con aggiustamento automatico nel caso di anno bisestile). Dal consumo estremamente basso, l'rtc può essere alimentato a batteria mentre il processore si trova in una condizione di stand-by. In questo caso l'rtc potrà comandare l'eventuale risveglio del processore in un prefissato istante di tempo. La serie di appunti del presente testo vuole essere lo spunto per indicare alcune funzionalità dei molti timer di cui l'lpc845 è dotato. Come già sottolineato nel quaderno precedente, la migliore comprensione degli argomenti qui trattati si avrà consultando lo User Manual del microcontrollore, a cui le note nel testo faranno comunque riferimento Alcune note di base sui timer In linea di principio un timer non è altro che un contatore, spesso all'indietro. In Figura 1.1 è riportato il possibile schema a blocchi di principio di un generico timer. start value CLK EN load counter Match register = match Fig. 1.1 Schema a blocchi di principio di un timer. 1 Normalmente di frequenza uguale a Hz, pari esattamente a 2 15 Hz.

3 Uso dei timer 3 Si noterà che il contatore principale può essere caricato a un valore iniziale (segnale load). Il contatore, in avanti o all'indietro, potrà effettuare il suo conteggio in base alla frequenza del segnale di clock, CLK, se è abilitato (segnale EN). Qualora il valore del contatore raggiunga un prefissato valore id match memorizzato nell'apposito Match Register, viene generato un segnale apposito che indica l'evento. Spesso la condizione di match genera una richiesta di interruzione al processore (IRQ, Interrupt Request): sarà quindi un'apposita routine di servizio dell'interrupt, Interrupt Service Routine, ISR, a svolgere le istruzioni di gestione dell'evento di match. Un microcontrollore realizza spesso sistemi di controllo (hardware o software) di tipo real time. Per tale scopi, pertanto, integra strutture dedicate alla sincronizzazione di task.

4 4 1. Introduzione

5 2. Il timer/counter standard Nel microcontrollore LPC845 è integrato un timer di tipo general purpose 1 a 32 bit con prescaler a 32 bit. La periferica può funzionare da timer o da contatore e dispone di ingressi di quattro registri di match e quattro registri di capture. Tra le caratteristiche salienti si citano: i quattro ingressi di capture possono catturare il valore di conteggio non appena si ha la transizione di un segnale di ingresso; un evento di capture può anche generre una richiesta di interruzione al processore; il timer e il prescaler possono essere resettati nel caso si abbia un evento di capture (funzionalità impiegata, per esempio, per misurare segnali di tipo PWM); i quattro registri di match consentono: conteggio continuativo, con generazione di una richiesta di interruzione; auto reaload da un registro shadow match nel caso di reset del timer; stop del timer al match e generazione di una IRQ (se programmata); reset del timer al match e generazione di una IRQ (se programmata); fino a quattro uscite corrispondenti al match dei quattro registri corrispondenti con cui impostare la particolare uscita allo stato basso, oppure alto o provocare la sua commutazione (toggle), oppure non avere alcuna modifica dello stato; fino a quattro registri di match con cui generare fino a tre segnali indipendenti di tipo PWM; fino a due registri di match che possono essere utilizzati per generare richieste di tipo DMA (Direct Memory Access). 1 UM11029, capitolo 20.

6 6 2. Il timer/counter standard 2.1. Principio di funzionamento del timer In Figura 2.1 è riportato lo schema a blocchi del timer 2. Il blocco centrale della periferica è il Timer Counter, TC, a 32 bit. Il segnale di clock utilizzato per incrementare il contenuto di TC è Timer Counter Increment, TCI. Questo giunge in ingresso a una porta AND usata per abilitare o meno il conteggio. TCI è generato dal blocco Prescale Counter, PC, unitamente al registro Prescale Register, PR. Entrambi hanno la dimensione di 32. Il prescaler specifico è comandato dal clock PCLK comune a tutte le periferiche o da un segnale fornito dall'esterno attraverso le linee CAPn, con n = Match Control register External Match register Capture control register Interrupt register Match register 0 Match register 1 MAT0..3 CAP0..3 interrupt stop on match reset on match load = = Match register 2 Match register 3 = = Capture register 0 Capture register 1 Capture register 2 Capture register 3 TIMER COUNTER rst TCI PRESCALE COUNTER maxval PCLK CAPn.m EN RST Timer Control register PRESCALE register Fig. 2.1 Schema a blocchi semplificato del timer/counter standard. 2 Per semplificare la descrizione, nello schema non è stata inclusa la sezione di accesso diretto alla memoria, DMA, per il cui studio si rimanda alla consultazione dello User Manual del microcontrollore.

7 Uso dei Timer 7 Il prescaler è utilizzato, in pratica, quale divisore per la frequenza di clock che comanda TC: il contatore viene effettivamente incrementato solo quando PC, Prescale Counter, raggiunge il prefissato valore maxval memorizzato in PR, Prescale Register. In corrispondenza di tale condizione il contenuto di PC è nuovamente azzerato così che TC possa essere incrementato ogni maxval+1 periodi del segnale di clock d'ingresso, PCLK o CAPn. Nel caso particolare in cui maxval sia zero, il contatore TC sarà incrementato proprio alla frequenza del clock d'ingresso. L'abilitazione o il reset di TC sono determinati dallo stato di due bit del registro TCR, Timer Control Register. Nello schema si osserva la presenza di numerosi altri blocchi che determinano la funzionalità del timer. Le funzioni, già indicate all'inizio di questo capitolo, che possono essere svolte sono: possibilità di arrestare, azzerare o continuare il conteggio, con eventuale generazione di un interrupt, quando il contenuto di TC giunge a valori prefissati e memorizzati in 4 differenti registri denominati di match; memorizzazione del valore assunto dal contatore TC ed eventuale generazione di un interrupt in corrispondenza di una particolare transizione di uno o più ingressi di Capture, CAPn; disponibilità di diverse uscite di match il cui stato è determinato dal raggiungimento dei valori memorizzati nei registri specifici, denominati Match Register ; possibilità di utilizzare le condizioni di match suddette per ottenere uno o più segnali PWM, modulati nella durata dell'impulso. I diversi registri coinvolti per le funzionalità citate verranno descritti nelle sezioni di questo capitolo a seconda della particolare applicazione che si vuole implementare. L'esempio descritto nei prossimi paragrafi mostra come creare ritardi

8 8 2. Il timer/counter standard di precisione 3, in ms e μs. (Questa funzionalità è impiegata per la gestione dell'lcd.) Viceversa, l'uso degli ingressi di capture per misurare l'intervallo di tempo che intercorre tra due eventi, molto utile in diversi esperimenti, sarà descritto utilizzando un altro timer integrato nel microcontrollore col quale saranno descritti altri esempi che riguardano la generazione di segnali PWM, nonché la verifica di funzionamento nella modalità di contatore Generazione di delay di precisione Il primo esempio applicativo del timer d'uso generale integrato nel microcontrollore LPC845 rigurda la creazione di ritardi prestabiliti da inserire come cicli di pausa in un algoritmo. Il codice qui discusso è impiegato, ad esempio, nei file di gestione dell'lcd in cui è necessario inserire delle pause per dare tempo al display di eseguire i comandi impartiti. Nelle cartelle dei progetti che impiegano l'lcd sono presenti i file timer.h e timer.c. In essi sono presenti le dichiarazioni, nel file.h, e le dichiarazioni, file.c, delle funzioni delayms( ) e delayus( ) che permettono di generare pause di durata programmabile che possono inserirsi nel flusso dello specifico algoritmo. Ad esempio, l'esecuzione della funzione delayms(x) consente di generare un ritardo, in ms, pari al contenuto della variabile x. Con l'altra funzione, delayus(x), invece, il valore di x determinerà un ritardo in μs. Le due funzioni sono già state usate in diversi progetti. Esse implementano routine che impiegano il CTIMER0 dell'lpc845. L'analisi dettagliata che verrà svolta sui codici scritti per le due funzioni consentirà di cominciare a comprendere meglio il funzionamento proprio dei diversi timer integrati nel microcontrollore. Il codice della prima funzione, delayms( ), è riportato qui di seguito: 3 La precisione sarà in realtà legata alla qualità del clock di sistema.

9 Uso dei Timer 9 void delayms(uint32_t delay_in_ms) { // *** IMPOSTAZIONI INIZIALI *** // reset del timer LPC_CTIMER0 >TCR = 0x02; // prescaler to zero LPC_CTIMER0 >PR = 0x00; // imposta il match register LPC_CTIMER0 >MR[0] = ( /1000)*delay_in_ms; // cancella le flag di interrupt LPC_CTIMER0 >IR = 0xFF; // Ferma il timer nel caso di match LPC_CTIMER0 >MCR = 0x04; // *** "GENERA DELAY" *** // Avvia il timer LPC_CTIMER0 >TCR = 0x01; } // Aspetta mentre il timer sta "correndo" while(lpc_ctimer0 >TCR & 0x01) ; Le prime cinque istruzioni servono per programmare il timer alla funzione voluta, impostando la seguente configurazione: reset del valore di conteggio; prescaler a zero; impostazione del valore di match; cancellazione delle eventuali flag di interrupt attive 4 ; imposta lo stop del timer all'evento di match. In particolare, si può osservare che la prima riga carica nel registro TCR, Timer Control Register, di Timer1 il valore 2, settando così b 1 e azzerando b 0. In questo modo Timer 1 viene resettato e disabilitato come indicato in tabella 374 dello User Manual: 4 Il significato di queste sarà compreso nel prossimo capitolo, relativamente al Multi Rate Timer.

10 10 2. Il timer/counter standard Si osservi che i due bit meno significativi del registro TCR del timer generano il segnali EN e RST indicati in Figura 2.1. La routine non usa il prescaler come divisore di frequenza e quindi nel registro PR è memorizzato '0'. Il registro di match 0 (MR[0]) è caricato col valore di impulsi di clock che corrispondono proprio al numero di millisecondi, che viene passato alla funzione come parametro d'ingresso attraverso la variabile locale delayinms. Poiché il clock che giunge al timer ha una frequenza pari a 30 MHz, la quantità / 1000 corrisponde al numero di periodi di clcok che si ha in 1 ms. La successiva riga di codice azzera i flag di interrupt: il valore 0xFF, che corrisponde a otto bit pari a '1', è caricato nel registro IR, Interrupt Register. L'uso del registr MCR, Match Control Register, è indicato nella tabella 378 dello User Manual. Nella seguente figura è riportata la sezione relativa al registro 0 di match qui impiegato. La scrittura del valore '4' in questo registro setta il solo bit b 2 indicando che il timer dovrà essere automaticamente arrestato dalla periferica

11 Uso dei Timer 11 stessa quando TC (Timer Counter) raggiunge la condizione di match, cioè quando il suo contenuto coincide con quello di MR0. Infine, l'ultima istruzione, prima del ciclo while, riguarda l'abilitazione del timer: bit b 0 e b 1 di TCR rispettivamente pari a 1 e 0. La funzione, dopo le impostazioni iniziali descritte, attende con il ciclo while( ) che il timer giunga effettivamente alla condizione di stop (b 0 del registro TCR pari a zero). Questa condizione sarà segnalata dal timer stesso con la sua disabilitazione automatica al raggiungimento dell'evento di match, come programmato dalle precedenti istruzioni e, in particolare, con l'assegnazione LPC_CTIMER0 >MCR = 0x04. L'uscita dal while( ) si dovrà allora avere se TCR diventa diverso da '1', cioè valutando se non è zero il solo bit b 0. Questo sarà ottenuto con loperazione logica di AND bit-a-bit del contenuto del registro TCR: LPC_CTIMER0 >TCR & 0x01. La funzione delayus( ) differisce da quella descritta solo nella riga di codice relativa al contenuto nel registro di match MR[0]: LPC_CTIMER0 >MR[0] = ( / )*delay_in_us; in cui la frequenza di clock della periferica è divisa per 10 6, anziché 1000, per avere il numero di colpi di clock che si hanno in 1 μs. Il parametro d'ingresso alla funzione è rappresentato dal contenuto della variabile locale delayinus. Nel caso in cui sia necessario generare una pausa di 0.5 s, basterà chiamare la funzione delayms(500), mentre, se si volesse una pausa di 0.5 ms si dovrà usare la chiamata a funzione delayus(500). Ovviamente si potrebbe osservare che il ritardo generato, a causa dell'esecuzione delle istruzioni relative alle impostazioni iniziali dei registri dei timer, sarà leggermente superiore a quanto voluto. Tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni, tale differenza risulta del tutto trascurabile 5. 5 Spesso inferiore alla variazione con la temperatura che può avere la frequenza di oscillazione del sistema utilizzato per generare il segnale FOSC.

12 12 2. Il timer/counter standard 2.3. Uso delle funzioni di delay Occorre osservare che per poter impiegare le routine di delay descritte nel precedente paragrafo è necessario "attivare" la periferica TIMER0. Sarebbe opportuno inserire una funzione di inizializzazione, ma per la semplicità, riducendosi a una sola istruzione, sarà sufficiente inserire tale abilitazione all'inizio di qualunque file main.c che debba impiegare tali funzioni. Infatti, nei progetti già visti nel precedente quaderno, si potrà trovare tra le prime righe di codice della funzione main() la: // Abilita il clock per CTIMER0 (funzioni delay) LPC_SYSCON >SYSAHBCLKCTRL0 = (1<<25); che infatti setta b 25 del registro SYSAHBCLKCTRL0 adibito proprio all'abilitazione del clock delle diverse periferiche (già incontrati nell'utilizzo della GPIO, ad esempio).