树莓派教程：Pi 的操作系统开发（5）

第4课OK4

这一课是建立在上一节课的基础上，主要任务是教你如何利用定时器以一个精确的时间来实现OK LED的亮灭。我认为你已经完成了第3课的编程。

1一个新的device

　　定时器（timer）是PI保存时间的唯一方式。大多数电脑会有一个电池来给时钟供电，保证在关机后，时间不丢失。

　　目前，我们只是玩了玩PI的GPIO控制器，其它的硬件基本没有涉及到。（译者注：感觉作者花了好多时间，讲了一些过于简单的东西，但考虑到这个教程是针对16岁以上的，没有编程经验的孩子，这也是很正常的。不过上一课中讲的一些关于编程的方法，ABI标准等还是值得学习的）。

       现在，让我们来看看timer(定时器)，我将会让你理解他是怎么工作的。（译者注：对于学过单片机的，都知道，定时器最基本的用法就是设置好的定时的方式和初值后，开启定时器就行了，然后利用查询或是中断的方法来查看定时时间是否到来。）　　

       就像GPIO的控制器一样，定时器也有自己的地址。在这个例子中，定时器的基地址是 0X20003000。通过阅读manual，你可以发现下面的表：

       这个表告诉我们很多，但是在手册manual中，关于每个寄存器的每一位都有详细讲解。手册中是这样解释的：每1us后，定时器counter寄存器中的数值加1，然后counter中低32位与4个compares寄存器进行比较，如果与其中的任何一个相等。就会更新control/status寄存中的相关位域。更新位域就是为了反映这一事实。

更多有关bits,bytes,bit fields,和data sizes的解释如下：

　　1bit就是只能存放一个二进制的数字（0或1）。　　1byte就是8个bit的集合。因为1个bit可以每2个values,所以8个bits就可以放2的8次＝256个不同的值。我们经常解释1个byte的值的范围是0～255（包括0，255）。　　a bit filed是对二进制的另一种说法。不是把二进制解释成数。二进制可以解释成很多不现的东西。a bit filed把进制看成一系列不同的开关。开是1（on）,关是0（off）。如果这些开关都是和其它的物理硬件对应的，我们就可以用这些开关了控制这些硬件了。实际上我们已经看到过GPIO控制器的bit filed。当设置pin是on 或是off时，就是把相应的bit filed置1。　　有时候我们可能需要更多的选择，而不仅仅是开或是关。所以我们把向个bit组合在一起，例如GPIO控制器中设置GPIO功能的寄存器中（如下图），在下面这个寄存器中，每3bits组合成一个bit filed,用来控制GPIO引脚的功能。

        我们的目的是实现一个函数，我们把定时器定时的时间长度作为输入参数输入，然后他就会定时那么长的时间，时间到了之后就返回。想一会我们应该怎么做。想想我们有什么。

　　（译者注：应试是这样做的吧：1：把输入值给counter.2:启动好相应的控制位3：启动定时器，不停的查询是否等于某个值，如果不等，接着查，如果相等，返回。。这是用查询的功能）

我知道有两种选择可以完成这个功能：

　　    从counter中读数据，作为起始时间start，然后跳转到loop中读取当前conter的值与start做差，把结果后我输入的delay时间进行比较，如时结果小于delay，说明时间没有到，继续到到loop。直到做差的结果比delay大时，就说明延时的时间到了。

　　    从counter中读数据，把读到数据与我们要等的时间相加，然后保存到comparison寄存器中，然后等着，真到Control/Status产生了更新。

        上面的两种方法都是可以的，但是在这里，我们只实现第一种方法。原因是comparison寄存器很容易出错，因为在你去把counter中数据取出来与需要wait的相加时，然后保存到comparison时，counter中数据都已加了好几次了。可能就不与comparison中的值匹配了。这样会导致一个我们不愿意看到delays。

2定时器的实现

　　大的操作系统经常用调用wait函数的机会去处理后台任务。

        我将把创建一个理想的wait函数的任务留给你，这个任务很具有挑战性。我建议你把与定时器有关的所以代码放到一个systemTimer.s的文件中。关于这个函数最复杂的部分是，counter这个寄存器保存的是8字节的数据（64位），但是在arm中每个寄存器只能保存4字节的数据。因此我们要把counter分成两个寄存器（和51单片机是一样的TH0 TL0）。

下面的指令是一个例子：

　　ldrd r0,r1,[r2,#4]

       上面这个指令你会发现很有用，他会从memory中加载8个字节的数据到2个寄存吕。在这个例子中，8个字节的数据的起始地址是r2。有点复杂的是，r1保存了最高地址的4个字节。

换句话说：如果counter有一个值＝999,999,999,999（10进制的）

＝1110100011010100101001010000111111111111（2进制的）

因为r1保存高32位，所以r1=11101000   

       r0保存低32位，所以r0=11010100101001010000111111111111

         实现定时最容易的方法就是把当前counter中数值与我们输入的数据做差。然后把这个数据与我们要等的时间做比较。通常为了方便我们会把高32位的数据丢掉，因为低32位的等待时间就足够了。

        在等待的过程中，我们要确保用的时比较是于高于，不要用比较是否相等。因为比较相等时要求太高了，可能你就在运行其它指令的时候会错过个相等的值，从而进入了死循环（译者注：从这里可以推测出作者用的是查询的方法，而且counter还会自动重载）。

如果你还是不会写wait函数，看下面的向导。

       从GPIO控制器写函数思想一样，第一个函数我们应该得到定时器地址。例子如下：

.globl GetSystemTimerBase
GetSystemTimerBase:
ldr r0,=0x20003000
mov pc,lr

另一个函数是很有用的，返回当前counter寄存器的值，到r0,r1:

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

     上面的函数用了GetSystemTimerBase 函数，得到counter中的值，是用ldrd指令实现的。

     现在我们要编写我们的wait函数了。首先，我们需要知道counter的值当调用wait函数时。所以我们下面要用GetTimeStamp函数。

delay .req r2
mov delay,r0
push {lr}
bl GetTimeStamp
start .req r3
mov start,r0

        这个代码得到我们输入，我们需要延时的时间，保存到r2,然后调用GetTimeStamp得到counter的当前时间。我们知道当前时间保存在r0,r1中。然后把最低位复制到r3中 。

       下面我们需要要计算出当前counter的值与刚才我们读到counter的值的差值，一直这么做，直到这个差值要大于我们输入的delay值。

 loop$:

bl GetTimeStamp
elapsed .req r1
sub elapsed,r0,start
cmp elapsed,delay
.unreq elapsed
bls loop$

       上面的函数一直循环，直到定时器走过的时间大于我们输入的delay时间。不停的读取counter中的值，然后与start做减法后，得到的结果与delay值进行比较。如果结果小于delay就说明延时时间没有到，接着回到loop$。

3另一种方式实现灯的闪烁。

         一旦你相信你的wait函数可以工作了，在main.s里面调用试试。改变r0的值就可以改变定时器等待的时间了，（记住定时器是微秒级的）。如果你的定时器函数工作了，祝贺你，你又掌握了一个device。

在下一课中，也是OK系列的最后一课。

第5课中，我们会让led以一种编码闪烁。

（译者注：因为寝室没有显示器，所以显示器部分实验的翻译可能我不做了，如果谁能借我一个显示器用下那也不错啊，邮到华科，用完了再给你邮回去，呵呵，开玩笑了。）

下面是剑桥大学官网的本课答案：

http://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/os/downloads.html#solution4