08-GPtimer

news2024/11/25 3:01:36

通用定时器 （GPTimer）

通用定时器简介

通用定时器可用于准确设定时间间隔、在一定间隔后触发（周期或非周期的）中断或充当硬件时钟。如下图所示，ESP32-S3 包含两个定时器组，即定时器组 0 和定时器组 1。每个定时器组有两个通用定时器（T0，T1）和一个主系统看门狗定时器（WDT）。所有通用定时器均基于 16 位预分频器和 54 位可自动重新加载向上／向下计数器。
在这里插入图片描述

通用定时器架构

在这里插入图片描述

  1. 时钟选择器：每个定时器可以通过配置寄存器TIMG_TxCONFIG_REG的TIMG_Tx_USE_XTAL字段，选择APB时钟(APB_CLK)或外部时钟(XTAL_CLK)作为时钟源。

  2. 16位预分频器：时钟源经过16位预分频器分频，产生时基计数器使用的时基计数器时钟(TB_CLK)。16位预分频器的分频系数可以通过TIMG_Tx_DIVIDER字段配置，选取从2到65536之间的任意值。需要注意的是：定时器必须关闭（即TIMG_Tx_EN必须清零），才能更改16位预分频器。在定时器使能时更改16位预分频器会造成不可预知的结果。

  3. 54位时基计数器：54位时基计数器基于TB_CLK，可通过TIMG_Tx_INCREASE字段配置为递增或递减。时基计数器可通过置位或清零TIMG_Tx_EN字段使能或关闭。使能时，时基计数器的值会在每个TB_CLK周期递增或递减。关闭时，时基计数器暂停计数。注意，TIMG_Tx_EN置位后，TIMG_Tx_INCREASE字段还可以更改，时基计数器可立即改变计数方向。

  4. 比较器：定时器可配置为在当前值与报警值相同时触发报警。报警会产生中断，（可选择）让定时器的当前值自动重新加载。54位报警值可在TIMG_TxALARMLO_REG和TIMG_TxALARMHI_REG配置，两者分别代表报警值的低32位和高22位。但是，只有置位TIMG_Tx_ALARM_EN字段使能报警功能后，配置的报警值才会生效。为解决报警使能“过晚”（即报警使能时，定时器的值已过报警值），可逆计数器向上计数时，若定时器的当前值高于报警值（在一定范围内），或可逆计数器向下计数时，定时器的当前值低于报警值（在一定范围内），硬件都会立即触发报警。

更多内容可以查看一下官方手册
通用定时器手册

GPtimer的API参考

1. 头文件

#include "driver/gptimer.h"

2. 创建通用计时器

esp_err_t gptimer_new_timer(const gptimer_config_t *config, gptimer_handle_t *ret_timer)

创建一个新的通用计时器，并返回句柄。

注意：

新创建的计时器处于“init”状态。

函数参数：

参数描述
config[输入] GPTimer 配置
ret_timer[输出] 返回的计时器句柄

函数返回值：

返回值描述
ESP_OK成功创建 GPTimer
ESP_ERR_INVALID_ARG由于参数无效，创建 GPTimer 失败
ESP_ERR_NO_MEM创建 GPTimer 失败，因为内存不足
ESP_ERR_NOT_FOUND创建 GPTimer 失败，因为所有硬件计时器都已用完，不再有空闲计时器
ESP_FAIL由于其他错误，创建 GPTimer 失败

该函数使用 gptimer_config_t 类型的结构体变量传入 gptimer 外设的配置参数，该结构体的
定义如下所示：

/**
* @brief 通用定时器配置
*/
typedef struct {
 gptimer_clock_source_t clk_src; /* 通用定时器时钟源 */
 gptimer_count_direction_t direction; /* 计数方向 */
 uint32_t resolution_hz; /* 计数器分辨率（工作频率） */
 struct {
 uint32_t intr_shared: 1;/* 若置为 1，则计时器中断编号可以与其他外围设备共享 */
 } flags; /* 通用定时器配置标志 */
} gptimer_config_t;

该函数的使用实例如下

#include "driver/gpio.h"
void example_fun(void)
{
gptimer_config_t g_tim_handle;
gptimer_handle_t g_tim = NULL;
g_tim_handle.clk_src = GPTIMER_CLK_SRC_DEFAULT; /* 选择定时器时钟源 */
g_tim_handle.direction = GPTIMER_COUNT_UP; /* 递增计数模式 */
g_tim_handle.resolution_hz = resolution; /* 计数器分辨率 */
gptimer_new_timer(&g_tim_handle, &g_tim); /* 创建新的通用定时器 */
}

3. 配置通用定时器

esp_err_t gptimer_set_raw_count(gptimer_handle_t timer, unsigned long long value);

配置通用定时器的计数值以及定时器周期。

函数形参描述：

形参描述
timer计时器句柄由 gptimer_new_timer 创建
value要设置的计数值

函数返回值描述：

返回值描述
ESP_OK返回 0，表示配置成功
ESP_ERR_INVALID_ARG由于参数无效，获取 GPTimer 原始计数值失败
ESP_FAIL由于其他错误，设置 GPTimer 原始计数值失败

示例用法：

#include "driver/gpio.h"

void example_fun(void) {
    gptimer_handle_t g_tim = NULL;
    gptimer_set_raw_count(g_tim, 100); 
}

4. 注册用户回调函数

g_tim_callbacks.on_alarm = gptimer_callback;

该结构体用于注册用户回调函数，并没有涉及到参与返回值，其调用的 gptimer_callback()。

该结构体使用 gptimer_event_callbacks_t 类型的结构体对 gptimer 报警进行参数配置，该结
构体的定义如下所示：

/**
* @brief 支持的 GPTimer 回调组
* @note 回调都在 ISR 环境下运行
* @note 当 CONFIG_GPTIMER_ISR_IRAM_SAFE 被启用时，
回调本身及其调用的函数应该被放置在 IRAM 中。
*/
typedef struct {
 gptimer_alarm_cb_t on_alarm; /* 定时器报警回调 */
} gptimer_event_callbacks_t;

该结构体的使用示例，如下

#include "driver/gpio.h"
void example_fun(void)
{
gptimer_event_callbacks_t g_tim_callbacks;
g_tim_callbacks.on_alarm = gptimer_callback; /* 注册用户回调函数 */
}

配置通用定时器回调函数

esp_err_t gptimer_register_event_callbacks(gptimer_handle_t timer, const gptimer_event_callbacks_t *cbs, void *user_data)

5. 创建一个消息队列，并引入一个事件

该函数用于创建一个新的队列实例，并返回一个句柄，通过该句柄可以引用新队列，其函数原型如下所示：

QueueHandle_t xQueueCreate( uxQueueLength, uxItemSize );

函数形参描述：

形参描述
uxQueueLength队列可以包含的最大项目数
uxItemSize队列中每个项目所需的字节数。项目是按副本而非引用排队的，因此这是每个已发布项目将复制的字节数。队列中的每个项目的大小必须相同。

函数返回值描述：

如果成功创建了队列，则会返回新创建的队列的句柄。如果无法创建队列，则返回 0。

宏定义：

消息队列的调用方式用到了条件编译的方式，当满足条件编译所需要的条件时才会使用到该消息队列，同时该消息队列通过宏定义的方式进行调用。

#if ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xQueueCreate( uxQueueLength, uxItemSize ) \
    xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ), ( queueQUEUE_TYPE_BASE ) )
#endif

注意事项：

在内部，在 FreeRTOS 实现中，队列使用两个内存块。第一个块用于保存队列的数据结构。第二个块用于保存放入队列中的项目。如果使用 xQueueCreate() 创建队列，那么两个内存块都会在函数内自动动态分配。如果使用 xQueueCreateStatic() 创建队列，则应用程序编写器必须提供队列将使用的内存。因此，xQueueCreateStatic() 允许在不使用任何动态内存分配的情况下创建队列。

使用示例：

#include "driver/gpio.h"

struct Example	//示例
{
    char ExampleID;
    char Data[20];
};

void example_fun(void *pvParameters)
{
    QueueHandle_t xQueue1, xQueue2;
 
    /* 创建一个能够包含 10 个 uint32_t 值的队列 */
    xQueue1 = xQueueCreate( 10, sizeof(uint32_t));
    if(xQueue1 == 0)
    {
        /* 队列未创建，不得使用 */
    }
 
    /* 创建一个能够包含 10 个指向消息结构的指针的队列 */
    /* 这些应该通过指针传递，因为它们包含大量数据 */
    xQueue2 = xQueueCreate( 10, sizeof(struct Example *));
    if(xQueue2 == 0)
    {
        /* 队列未创建，不得使用 */
    }
}

6. 定时器报警，设置报警动作

该函数用于配置通用定时器报事件警，其函数原型如下所示：

esp_err_t gptimer_set_alarm_action(gptimer_handle_t timer, const gptimer_alarm_config_t *config);

函数形参描述：

形参描述
timer指向配置通用定时器的指针
config指向通用定时器报警配置的指针类型。报警配置，尤其是将配置设置为 NULL 意味着禁用报警功能

函数返回值描述：

返回值描述
ESP_OK返回：0，配置成功
ESP_ERR_INVALID_ARG无效参数
ESP_FAIL由于其他错误，创建 GPTimer 失败

gptimer_alarm_config_t 结构体：
该函数使用 gptimer_alarm_config_t 类型的结构体变量传入 gptimer 外设的报警配置参数

该结构体的定义如下

/**
 * @brief 通用定时器报警配置
 */
typedef struct {
    uint64_t alarm_count;             /* 报警目标计数值 */
    uint64_t reload_count;            /* 报警重新加载计数值 */
    struct {
        uint32_t auto_reload_on_alarm: 1;   /* 报警事件发生后立即通过硬件重新加载计数值 */
    } flags;                           /* 报警配置标志 */
} gptimer_alarm_config_t;

在这个结构体gptimer_alarm_config_t中，alarm_count和reload_count的含义如下：

  • alarm_count：这是报警目标计数值。当定时器的计数值达到这个alarm_count设定的值时，会触发一个报警事件。

  • reload_count：这是报警重新加载计数值。当报警事件发生后，如果auto_reload_on_alarm被设置为1，那么定时器的计数值会立即被重置为reload_count设定的值。

如果定时器在达到alarm_count设定的值时触发一次报警，而不需要在报警后自动重置计数值。也就是说，这个定时器可能只需要运行一次，而不是周期性地运行。因此，reload_count就不需要被设置。

使用示例：

#include "driver/gpio.h"

void example_fun(void)
{
    gptimer_alarm_config_t alarm_config;
    alarm_config.alarm_count = 1000000; /* 报警目标计数值 */
    gptimer_set_alarm_action(g_tim, &alarm_config);
}

更多API接口可以去看一下官方文档
通用定时器 （GPTimer）

程序设计

实验将配置通用定时器间隔一定时间返回一次报警值，并通过串口或者 VSCode 终端显示报警值，具体步骤如下：
①：配置通用定时器
②：配置通用定时器的计数值以及定时器周期
③：注册用户回调函数
④：创建一个消息队列，并引入一个事件
⑤：定时器报警，设置报警动作

GPTIM.h

/**
 * @file GPTIM.h
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief   通用定时器驱动代码
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-17
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */
#ifndef __GPTIM_H_
#define __GPTIM_H_

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "driver/gptimer.h"
#include "esp_log.h"

//参数引用
typedef struct{
    uint64_t event_count;
}gptimer_event_t;

extern QueueHandle_t queue;

//函数声明


void gptim_init(uint64_t count,uint16_t resolution);
bool IRAM_ATTR gptimer_callback(gptimer_handle_t timer, const gptimer_alarm_event_data_t *edata, void *user_data); 

#endif

GPTIM.c

/**
 * @file GPTIM.c
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief   通用定时器驱动代码
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-17
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */
#include "GPTIM.h"

QueueHandle_t queue;    //消息队列句柄


/**
 * @brief 初始化通用定时器
 * 
 * @param counts 计数值
 * @param resolution 定时器周期
 */
void gptim_init(uint64_t counts,uint16_t resolution){
    gptimer_config_t g_tim_handle;  //gptimer配置结构体
    gptimer_alarm_config_t alarm_config;    //报警配置结构体
    gptimer_event_callbacks_t g_tim_callbacks;  //回调函数配置结构体

    uint64_t count;

    //配置通用定时器
    ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "配置通用定时器");                                         

    //创建定时器句柄
    gptimer_handle_t g_tim = NULL;

    //配置gptimer
    g_tim_handle.clk_src = GPTIMER_CLK_SRC_DEFAULT;  // 选择定时器时钟源                                  
    g_tim_handle.direction = GPTIMER_COUNT_UP;       // 递增计数模式         
    g_tim_handle.resolution_hz = resolution;         // 计数器分辨率
    
    //注册用户回调函数
    g_tim_callbacks.on_alarm = gptimer_callback;                                        

    //配置报警目标计数值
    alarm_config.alarm_count = 1000000;

    //创建新的通用定时器，并返回句柄
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_new_timer(&g_tim_handle, &g_tim)); 

    //创建一个队列，并引入一个事件
    queue = xQueueCreate(10, sizeof(gptimer_event_t));

    //检查队列是否创建成功
    if (!queue)
    {
        ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "创建队列失败");                                       

        return;
    }

    //设置和获取计数值
    ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "设置计数值");
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_set_raw_count(g_tim, counts));  //设置计数值
    ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "获取计数值");
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_get_raw_count(g_tim, &count));  //获取计数值
    ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "定时器计数值： %llu", count);

    // 注册事件回调函数
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_register_event_callbacks(g_tim, &g_tim_callbacks, queue));  //配置通用定时器回调函数

    // 设置报警动作
    ESP_LOGE("GPTIMER_ALARM", "使能通用定时器");
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_enable(g_tim));  //使能通用定时器
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_set_alarm_action(g_tim, &alarm_config)); //配置通用定时器报警事件
    ESP_ERROR_CHECK(gptimer_start(g_tim));      //启动通用定时器

}

bool IRAM_ATTR gptimer_callback(gptimer_handle_t timer, const gptimer_alarm_event_data_t *edata, void *user_data)
{
    BaseType_t high_task_awoken = pdFALSE;
    queue = (QueueHandle_t)user_data;

    // 从事件数据中检索计数值
    gptimer_event_t ele = {
        .event_count = edata->count_value
    };

    // 可选：通过操作系统队列将事件数据发送到其他任务
    xQueueSendFromISR(queue, &ele, &high_task_awoken);
    
    // 重新配置报警值 
    gptimer_alarm_config_t alarm_config = {
        .alarm_count = edata->alarm_value + 1000000, //在接下来的1秒内报警
    };
    gptimer_set_alarm_action(timer, &alarm_config);
    
    // 返回是否需要在ISR结束时让步 
    return high_task_awoken == pdTRUE;
}

main.c

/**
 * @file main.c
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief   通用定时器驱动代码
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-18
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "esp_log.h"
#include "led.h"
#include "gptim.h"

void app_main(void){

    uint8_t record;
    esp_err_t ret;
    gptimer_event_t g_tim_evente;
    
    ret = nvs_flash_init();  //初始化NVS

    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    }
    
    led_init(); //初始化LED
    gptim_init(100, 1000000); //初始化通用定时器
    
    while (1)
    {
        record = 1;

        if (xQueueReceive(queue, &g_tim_evente, 2000))
        {
            ESP_LOGI("GPTIMER_ALARM", "定时器报警, 计数值： %llu", g_tim_evente.event_count);   //打印通用定时器发生一次计数事件后获取到的值
            record--;
        }
        else
        {
            ESP_LOGW("GPTIMER_ALARM", "错过一次计数事件");
        }
    }
    vQueueDelete(queue);

}

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