【先楫HPM5E00_EVK系列-板卡测评3】hpm5e00evk平台中断、定时器、PWM等功能详解

作者：与非试用者 西林er

此文介绍了利用先楫半导体（hpm）官方hpm5e00_evk开发板使用的主控芯片的一些原理性知识，无实验内容展示，主要汇总了先楫半导体hpm5e00主控芯片的中断、定时器、pwm、usart等功能，主要内容来源于B站“HPM_FAE”的视频和官方的数据手册，如有整理不正确的地方还望指正。

至于为啥整理上面几个外设，因为上面几个外设是本人工作项目中，用到的最基本的内容，把上面外设跑通了就可以实现国产替代，当然还有一些深入的功能，待后续研究。

1、中断

先楫半导体（HPMicro）的微控制器中断系统，是其高性能MCU的重要组成部分，它基于RISC-V内核，并借鉴了现代中断控制的先进理念。其核心在于高效管理多种事件源（如外部设备、内部外设、软件事件），确保关键任务能得到及时响应。

1.1、中断定义与原理

中断是一种允许微控制器暂停当前正在执行的程序，转去处理紧急事件，待处理完成后再返回原程序继续执行的机制。在先楫半导体的微控制器中，中断系统主要用于：

• 提高实时性：对外部事件（如按键、传感器信号变化）或内部事件（如定时器溢出、通信数据到达）做出快速响应。
• 提升效率：避免了CPU不断轮询检查事件是否发生，节省了宝贵的计算资源，使其能专注于主要任务，只有在需要时才通过中断介入处理。
• 处理故障：为硬件故障、运算异常（如除零错误）等提供了处理机制。

中断可以是硬件中断（由外部硬件信号触发，如GPIO、定时器）或软件中断（由特定的软件指令触发）。中断系统的工作原理与流程，中断处理通常包含以下步骤：

1. 中断请求：中断源（例如外设或软件）通过发出中断请求信号向CPU申请服务。
2. 中断判优与响应：中断控制器（如果存在类似NVIC的模块）会根据预设的优先级对多个同时发生的中断请求进行裁决，选择当前最高优先级的请求向CPU响应。CPU在执行完当前指令后，若中断未被全局屏蔽，则会响应此中断。
3. 保护现场：CPU在跳转执行中断服务程序前，会自动保存当前的程序计数器（PC）和状态寄存器等关键信息，以便中断处理后能正确恢复。
4. 执行中断服务程序：CPU通过查询中断向量表（一个存储了各个中断服务程序入口地址的表格）跳转到对应的中断服务程序（ISR） 执行。开发者需要在此函数中编写处理特定中断事件的代码。
5. 恢复现场与返回：ISR执行完毕后，通过特定的中断返回指令，CPU会恢复之前保存的现场信息，并返回到被中断的主程序继续执行。

1.2、先楫MCU中断

先楫MCU中断分为本地中断与外部中断，常用的本地中断包括机器定时器中断与软件中断。先楫MCU支持8个中断优先级设置，设置值0~7，优先级设置值越大中断优先级越高，0代表关闭中断。

针对先楫MCU中断：

没有硬件压栈，进出中断耗时略长一些，但是hpm主频一般ARM类的MCU主频高很多，进出中断其实也还好；

支持中断优先级和中断嵌套，当多个中断同时发生时，优先级高的中断会优先得到响应，允许高优先级中断打断正在处理的低优先级中断；

支持中断嵌套与中断向量，中断嵌套可保证CPU始终在处理优先级最高的中断，中断向量则可简化中断处理流程，提高中断响应速度

另外尤其要注意的是：本地中断可打断外部中断，外部中断无法打断本地中断。

1.3、中断使用注意

项目之初，在设计中断的是时候，需要特别注意一下事项：

• 避免中断过长：长时间的中断会阻塞系统对其他事件的响应，影响实时性。
• 谨慎处理中断嵌套：过深或设计不当的中断嵌套会增加系统复杂性，并可能引起优先级倒置等问题。
• 及时清除中断标志：这是最常见的错误之一，忘记清除标志位会导致程序行为异常。

2、定时器

定时器是一种电子组件，主要用于定时控制，具备精确计时的能力。它可以在设定的时间间隔内触发特定的操作，如发送数据、采集传感器信息、检测输入信号或产生规律性输出波形。这种灵活性使定时器在多个行业中得到广泛应用，支持各种复杂功能的实现，是现代电子系统中不可或缺的一部分。

2.1、定时器基本内容

定时器通常具备以下功能模式：

1. 内部计数模式：计数器对内部时钟进行计数，用于精确的定时操作。
2. 外部计数模式：计数器在外部输入信号的上升沿递增，用于统计外部脉冲的数量。
3. 单次模式（One-shot）：计数器计数到重载值后便自动停止，非常适合需要精确单次延时的场景。
4. 连续模式：计数器计数到重载值后自动重置并继续计数，用于产生连续的周期性事件。
5. 输入捕获模式：用于捕捉外部事件发生的时刻，从而测量信号参数。
6. 输出比较模式：当计数器值匹配比较寄存器时，可产生输出跳变、中断或DMA请求。
7. PWM模式：生成脉宽可调的方波信号。
8. 监视（Monitor）模式：一种实用的功能，可以监视输入的周期性信号。若信号的宽度（高电平时间）或周期超出预设的最小值或最大值范围，则会触发捕获中断或DMA请求。这可用于监测传感器信号是否异常或丢失。

一般情况下，定时器具有3种计数模式：向上计数、向下计数、向上向下双向计数。定时器模块会设置一个自动加载值（ARR）如下图所示。

1. 向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值(TIMx_ARR),然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。
2. 向下计数模式：计数器从自动装入的值(TIMx_ARR)开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始,并产生一个计数器向下溢出事件。
3. 中央对齐模式(向上/向下计数)：计数器从0开始计数到自动装入的值-1产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。

2.2、先楫半导体MCU定时器

先楫半导体的MCU为了满足不同应用场景的需求，集成了多种类型的定时器外设，下面以5E00系列为例，进行说明：

通用定时器（GPTMR、PTMR）

5E00系列支持 6 个通用定时器，每个通用定时器支持 4 个通道，每个通道支持 32 位计数器，重载寄存器和一个输入捕获/输出比较通道，支持通用计时，输入捕获，输出比较， PWM 生成，以及产生中断和 DMA 请求。

1. 其中 4 个定时器位于系统电源域称为通用定时器 GPTMR0∼3
2. 其中1 个定时器位于系统电源域的 CONN 子系统，称为网络定时器 NTMR0
3. 其中1 个定时器位于电源管理域，称为电源管理域定时器 PTMR。

PTMR 的 4 个输入捕获/输出比较通道连接到电源管理域 IO。 PTMR 可以在系统电源域掉电时保持工作。 PTMR 中断可以把系统从低功耗模式下唤醒。 PTMR 不支持生成 DMA 请求。

针对GPTMR，也是最常用的定时器，先楫半导体给出了更加详细的说明，其具有如下特性。

1. 定时器由 4 通道组成
2. 单个通道配置一个 32 位分辨率计数器，支持向上模式
3. 各个通道的计数器支持同步
4. 单个通道支持可配置的 32 位重载寄存器
5. 通道可同时用于输入捕获以及输出比较
6. 单个通道支持 2 个输出比较器
7. 支持捕获上升沿和/或者下降沿，支持测量PWM 周期和占空比
8. 支持生成 DMA 和中断请求

看门狗定时器（WDG、PWDG）

5E00系列支持支持 3 个看门狗定时器，看门狗定时器可以防止系统因为软件或者硬件的错误而锁死。看门狗定时器支持在软件喂狗超时时产生中断，或者生成系统复位。

其中 2 个位于系统电源域称为 WDG0∼1， WDGx 的时钟为 CLK_TOP_AHB，看门狗计数器外部时钟来自CLK_32K。

其中1 个位于电源管理域，称为 PWDG。 PWDG 可以在系统电源域掉电时保持工作。 PWDG 的时钟为 CLK_24M，看门狗计数器外部时钟为 CLK_32K。 PWDG 支持从电源管理域 IO 上输出复位信号。

针对看门狗定时器，通常情况下，用于监控系统程序是否跑飞，若出现程序异常，能够及时产生复位信号，使程序重新加载运行。当然先楫半导体的看门狗定时器还具有如下特性。

1. 支持在特定时间窗口期喂狗
2. 支持喂狗前需要解锁保护，可以配置成多种解锁方式
3. 支持关键控制寄存器锁定，更新关键寄存器之前需要解锁
4. 看门狗工作时钟源可配置，在总线时钟停止时仍可以在 32K 时钟下工作
5. 关键控制寄存器自带奇偶校验功能
6. 在芯片进入 debug 模式下可以将看门狗配置成自动停止或继续工作
7. 在芯片进入低功耗模式下可以将看门狗配置成自动停止或继续工作

3、PWM

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），通过对一系列脉冲的宽度进行调制，在一个设定时间周期内，通过控制输出电平的高低来产生所需要的波形（包含形状以及幅值），进而对目标系统进行开关、能量传递百分比进行控制。

简单的来说，在设定一个周期内，控制IO引脚输出的高电平多长时间，低电平多长时间。

在PWM技术中，系统会周期性地产生一系列的脉冲，脉冲的宽度可以调节，从而改变输出电压或电流的大小，实现对设备工作状态的控制。主要应用于电机控制、电源管理、LED调光等众多领域，其优点在于能够精确控制电压或电流，提高能源利用效率。

3.1 5E00系列PWMv2

先楫5E00系列包含4个PWM生成子模块，支持共8路独立PWM或4对互补PWM输出。每个PWM生成子模块包含1个32位计数器，其中 24 位整数计数和 8 位小数计数，各子模块计数器支持同步；PWM子模块支持2路独立PWM或1对互补PWM输出。

• 支持高分辨率PWM输出，输出精度可达100ps
• 互补 PWM 输出支持死区插入
• 支持 PWM 强制输出
• 支持故障保护
• 计数器周期由可配置的重载值决定，计数值重载值配置和更新由计算单元执行
• 支持 24 个比较值
• 比较值 0、15固定分配到 4 个PWM生成子模块
• 比较值16、23可自由分配
• 比较值支持由影子寄存器或通用计算单元配置
• 支持 28 个影子寄存器，可用于配置计数器重载值和比较值
• 支持 16 个通用计算单元，可用于配置比较值和计数器
• 支持 4 个 DAC 值， DAC 值参与通用计算单元和计数器计算单元运算
• DAC 值可由软件配置，或由外部其他模块输入
• 支持 8 个通用触发输入
• 支持 8 个通用触发输出

笔者在做项目的过程中，用到了4路PWM波形，两两互补PWM输出，且互补之间需要进行死区插入，避免电路出现全通现象。下面分别对波形互补输出、死区插入进行简单说明。

波形互补输出是指定时器的两个输出通道之间的一种特殊关系。在互补输出中，一个通道的输出信号与另一个通道的输出信号形成互补关系，即一个通道输出高电平时，另一个通道输出低电平，反之亦然。

死区控制是指在电机驱动和功率放大器等应用中，为了避免MOSFET或IGBT等功率开关器件同时导通而造成短路或过电流的现象，而引入的一种保护措施。死区控制通过在两个功率开关器件之间设置一段时间延迟，使得它们不能同时导通，从而防止出现瞬态的短路或过电流。

死区控制的主要作用包括：防止短路和过电流：通过确保两个功率开关器件不会同时导通，避免了电流瞬态增大，从而保护了电路中的其他部件。提高系统稳定性和效率：避免了功率开关器件同时导通导致的瞬态问题，可以提高系统的稳定性和效率，减少功率损耗。