OR1200处理器的计时器模块TT介绍

以下内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书

16.2.1 TT介绍

计时器模块（Tick Timer：TT）一般用在操作系统的进程调度、用户程序的定时参考等。TT内部会对时钟周期计数，当计数值达到一个预设值时，会产生中断，通知处理器进行处理。其实现的主体是两个特殊寄存器：计时器单元计数寄存器TTCR、计时器单元模式寄存器TTMR，通过这两个SPR的不同配置，实现不同的工作模式，以及计时中断的产生。TTCR、TTMR是第10组特殊寄存器，如表16.4所示。TTCR、TTMR的格式分别如表16.5、16.6所示。

TTMR中各个标志位的含义如下：

TP：预设的计时器周期，范围是0x0-0xFFFFFFF
IP：为1表示有计时器中断等待处理
IE：为1表示允许计时器产生中断，反之计时器不会产生中断
M：计时器的工作模式

其中TTMR[M]的值决定了计时器的工作模式，共有4种工作模式，每种模式下计时器的工作过程如下：

（1）自动重新开始模式Auto-restart Mode

TTMR[M]等于2’b01时，TT工作于自动重新开始模式，在这种模式下，当TTCR[27:0]的值等于TTMR[TP]的值时，会将TTCR清零，然后继续计时，如果TTMR[IE]为1，那么还会声明计时器中断。

（2）一次计时模式One-shot Mode

TTMR[M]等于2’b10时，TT工作于一次计时模式，在这种模式下，当TTCR[27:0]的值等于TTMR[TP]的值时，会停止计时，如果TTMR[IE]为1，那么还会声明计时器中断。改写TTCR后，可以继续计时。

（3）连续计时模式Continuous Mode

TTMR[M]等于2’b11时，TT工作于连续计时模式，在这种模式下，当TTCR[27:0]的值等于TTMR[TP]的值时，会继续计时，也就是TTCR的值继续累加，如果TTMR[IE]为1，那么还会声明计时器中断。

（4）计时器停止模式Stop Mode

TTMR[M]等于2’b00时，TT停止工作。

上述各种模式下，声明计时器中断实际就是设置TTMR[IP]的值为1，处理器响应计时器中断后会进入计时器中断处理例程，但是TTMR[IP]不会自动清零，需要通程序过向TTMR[IP]写入0的方式清零。

16.2.2 TT的对外连接关系及相关宏定义

OR1200中计时器模块TT的对外连接关系如图16.2所示，通过箭头方向表示该信号是输入还是输出。以spr_xxx开始的接口都是与特殊寄存器读写有关的信号，含义也很明了，此外，intr为1表示计时器中断发生，该信号输出到CPU模块的接口sig_tick。

OR1200中与计时器有关的宏定义如下：

or1200_defines.v
`define OR1200_TT_IMPLEMENTED                //是否实施TT模块，TT模块是可选模块
`define OR1200_TT_OFS_TTMR 1'd0              //TTMR、TTCR寄存器在第10组特殊寄存器中的索引
`define OR1200_TT_OFS_TTCR 1'd1
`define OR1200_TTOFS_BITS 0
`define OR1200_TT_TTMR                       //需要定义这个宏才能使用TTMR寄存器
`define OR1200_TT_TTCR                       //需要定义这个宏才能使用TTCR寄存器
`define OR1200_TT_TTMR_TP 27:0               //TTMR中各个标识位的偏移
`define OR1200_TT_TTMR_IP 28
`define OR1200_TT_TTMR_IE 29
`define OR1200_TT_TTMR_M 31:30
`define OR1200_TT_READREGS                    //有了这个宏定义标识，才可以读TT中的特殊寄存器TTMR、TTCR

16.2.3 TT代码分析

TT的代码主要就是配置计时器不同的工作模式，并在各种工作模式下改变TTCR、控制计时器中断的产生。代码分析如下（为了便于理解，笔者改变了代码顺序）：

or1200_tt.v
module or1200_tt(
// RISC Internal Interface
clk, rst, du_stall, spr_cs, spr_write, spr_addr, spr_dat_i, spr_dat_o, intr
);
……
`ifdef OR1200_TT_IMPLEMENTED
`ifdef OR1200_TT_TTMR
reg [31:0]  ttmr;                           //TTMR寄存器
`else
wire    [31:0]  ttmr;
`endif
`ifdef OR1200_TT_TTCR
reg [31:0]  ttcr;                          // TTCR寄存器
`else
wire    [31:0]  ttcr;
`endif
……
//如果spr_cs为1，那么依据spr_addr的最低位判断指令l.mfspr/l.mtspr的访问目标是
//TTMR还是TTCR，ttmr_sel为1，表示访问目标是TTMR；ttcr_sel为1，表示访问目标是TTCR
assign ttmr_sel = (spr_cs && (spr_addr[`OR1200_TTOFS_BITS] == `OR1200_TT_OFS_TTMR)) ?
1'b1 : 1'b0;
assign ttcr_sel = (spr_cs && (spr_addr[`OR1200_TTOFS_BITS] == `OR1200_TT_OFS_TTCR)) ?
1'b1 : 1'b0;
//当TTMR[TP]等于TTCR[27:0]时，match等于1
assign match = (ttmr[`OR1200_TT_TTMR_TP] == ttcr[27:0]) ? 1'b1 : 1'b0;
//当工作在Auto-retart模式，且TTMR[TP]等于TTCR[27:0]时，会设置restart为1
assign restart = match && (ttmr[`OR1200_TT_TTMR_M] == 2'b01);
//stop为1的情况有三种：（1）当工作在One-shot模式，且TTMR[TP]等于TTCR[27:0]时，
//会停止计时，设置stop为1；（2）当TTMR[M]为2’b00时，计时器不工作，stop为1；
//（3）外部中断单元设置定时器停止，此时du_stall为1
assign stop = match &
(ttmr[`OR1200_TT_TTMR_M] == 2'b10) | (ttmr[`OR1200_TT_TTMR_M] == 2'b00) | du_stall;
`ifdef OR1200_TT_TTMR
always @(posedge clk or `OR1200_RST_EVENT rst)
if (rst == `OR1200_RST_VALUE)
ttmr <= 32'b0;
else if (ttmr_sel && spr_write)
ttmr <=  spr_dat_i;                //如果ttmr_sel为1，且spr_write为1，表示写TTMR
else if (ttmr[`OR1200_TT_TTMR_IE])      // TTMR[IE]为1表示中断使能，那么当match等于1时，
//会设置TTMR[IP]为1，并且TTMR[IP]的值不会自动清零
ttmr[`OR1200_TT_TTMR_IP] <=  ttmr[`OR1200_TT_TTMR_IP] | (match & ttmr[`OR1200_TT_TTMR_IE]);
`else
assign ttmr = {2'b11, 30'b0};           //没有设置TTMR寄存器的情况下，变量ttmr的值
`endif
//从图16.2可知intr连接至CPU的输入sig_tick接口，intr的值就是TTMR[IP]的值，表示计时器中断是否发生
assign intr = ttmr[`OR1200_TT_TTMR_IP];
`ifdef OR1200_TT_TTCR
always @(posedge clk or `OR1200_RST_EVENT rst)
if (rst == `OR1200_RST_VALUE)
ttcr <= 32'b0;
else if (restart)            //当工作在Auto-restart模式，且TTMR[TP]等于TTCR[27:0]
//时会设置restart为1，此时将TTCR清零，重新开始计数
ttcr <=  32'b0;
else if (ttcr_sel && spr_write)              //ttcr_sel为1，且spr_write为1，表示写TTCR寄存器
ttcr <=  spr_dat_i;
else if (!stop)                              //只要stop不为1，那么每个时钟周期TTCR的值加1
ttcr <=  ttcr + 32'd1;
`else
assign ttcr = 32'b0;                         //没有设置TTCR寄存器的情况下，变量ttcr的值
`endif
always @(spr_addr or ttmr or ttcr)
case (spr_addr[`OR1200_TTOFS_BITS])    // synopsys parallel_case
`OR1200_TT_OFS_TTMR: spr_dat_o = ttmr;      //读TTMR
default: spr_dat_o = ttcr;                  //读TTCR
endcase
`else                                        //在没有配置TT模块的情况下intr始终为0，没有计时器中断
assign intr = 1'b0;
assign spr_dat_o = 32'b0;
`endif
endmodule