Cortex-M4でCMSISライブラリを使わずにSysTickを制御してみる

前回までは、Cortex-M4でCMSISライブラリを使わずにGPIO制御してみました。
今回は、Cortex-M4でCMSISライブラリを使わずにSysTickを制御してみたいと思います。

SysTickとは

ARMマイコンが周辺機器とは別に持っている24ビットのシステム・タイマです。
特徴としては以下のとおりです。

1. LOADレジスタ値（再ロード値）をVALレジスタ（カウンタ値）に読み込む。
2. VALレジスタ値をカウント・ダウンする。
3. VALレジスタが0になるとSysTick割り込みを発生させる。
4. VALレジスタが0になると1. を実施する。

用途としてはOSのスケジューリングを行うためのシステム時間の計測などに使用されます。

レジスタの調査

今回はCMSISライブラリを使用しないのでSysTickのレジスタを調べる必要があります。
レジスタは、STM32F407VGのプログラミング・マニュアルに記載されています。

STK_CTRLレジスタ

SysTickを制御したり、ステータスを確認したりするレジスタです。
これによると
ビット 0 （カウンタ･イネーブル）を 1 にするとカウンタが開始し、0 にするとカウントが停止するようです。
ビット 1 （SysTick 例外要求の有効化）を 1 にするとカウント・ダウンが0になったとき、SysTick割り込みを発生するようになります。
ビット 2 （クロック･ソース）はクロック･ソースの選択です。1を選択しておくことでプロセッサ・クロックを利用するみたいです。
ビット 16　（COUNTFLAG）はSTK_VALレジスタが0になったときに 1 になり、STK_VALレジスタが更新されたときに 0 になるようです。
つまりカウント・ダウンが完了したときに 0、再ロード値が読み込まれたとき 1 になります。

STK_LOADレジスタ

カウント・ダウンの開始位置を示すレジスタです。
0～23の24ビットでカウント・ダウンさせたい時間を指定するようです。

STK_VALレジスタ

現在のカウント値を示すレジスタです。 STK_LOADレジスタと同様に24ビットでカウンタ値を持ちます。 このレジスタが初期化されるとSTK_CTRLレジスタのCOUNTFLAGもクリアされるようです。

実装してみる

全体を説明すると長くなるので、ここでは部分的に紹介します。
Tagは「20210111」です。

割り込みの設定

SysTick割り込みをハンドルするためにベクタ・テーブルを用意します。
ベクタ・テーブルは以下のような感じにする必要があります。
SysTickは例外番号15のようです。


ベクタ・テーブルは.isr_vectorセクションに配置するようにしています。
ちなみに.text .data .sdata .bss以外の固有セクションに配置するときは、.section .isr_vector,"a",%progbitsのような感じで指定してやる必要があるみたいです。
"a"は配置する、%progbitsはデータという意味らしいです。

        .syntax unified
        .thumb
        .section .isr_vector,"a",%progbits

    .align  2
    .globl  __Vectors
__Vectors:
        .long   __main_stack_start    /* Main stack pointer (MSP) */
        .long   Reset_Handler         /* Reset Handler */
        .long   NMI_Handler           /* NMI Handler */
        .long   HardFault_Handler     /* Hard Fault Handler */
        .long   MemManage_Handler     /* MPU Fault Handler */
        .long   BusFault_Handler      /* Bus Fault Handler */
        .long   UsageFault_Handler    /* Usage Fault Handler */
        .long   0                     /* Reserved */
        .long   0                     /* Reserved */
        .long   0                     /* Reserved */
        .long   0                     /* Reserved */
        .long   SVC_Handler           /* SVCall Handler */
        .long   DebugMon_Handler      /* Debug Monitor Handler */
        .long   0                     /* Reserved */
        .long   PendSV_Handler        /* PendSV Handler */
        .long   SysTick_Handler       /* SysTick Handler */

リンカ・スクリプトは以下のような感じです。
ベクタ・テーブルはROMの先頭に配置するようにしました。

MEMORY
{
    /* 0x20000000 から  128KB       */　　
    RAM (rwx)   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x20000 

     /* 0x08000000 から 1024KB FLASH */         
    ROM (rx)    : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 0x100000
}

SECTIONS
{
    /* The startup code into ROM memory */
    /* ベクターテーブル配置用のセクション */
    .isr_vector :
    {
        . = ALIGN(4);        /* ロケーションカウンタから4byteアライン */
        KEEP(*(.isr_vector)) /* vectorテーブル */
        . = ALIGN(4);        /* ロケーションカウンタから4byteアライン */
    } >ROM 

SysTickドライバ

ドライバは初期化、開始、停止という感じで機能分けするようにしてみました。

#include "iodefine.h"
#include "SysTick.h"

uint8_t tick_1ms_flag;

void SysTick_Handler(void);

/* OSタイマドライバ初期化 */
void SysTick_init(void)
{
    REG_STK.VAL  = 0;      /* カウンタの現在値をクリア */
    REG_STK.LOAD = 16000;  /* カウントダウン開始位置を設定(1ms = 16MHz ) */
    REG_STK.CTRL = 0x6;        /* 制御レジスタを設定 */
                            /*  - 2bit : クロックソースに
                                プロセッサ･クロック（AHB）を設定 */
                            /*  - 1bit : SysTick 例外要求を有効 */
                            /*  - 0bit : カウンタ停止 */

    tick_1ms_flag = 0;
}

/* OSタイマ開始 */
void SysTick_start(void)
{
    REG_STK.CTRL |= 0x1;   /* カウンタ開始 */
}

/* OSタイマ停止 */
void SysTick_stop(void)
{
    REG_STK.CTRL &= ~(0x1);    /* カウンタ停止 */
}

/* 割り込みハンドラ */
void SysTick_Handler(void)
{
    if ( ( REG_STK.CTRL & 0x00010000UL ) != 0UL )
    {
        tick_1ms_flag = 1;
    }
}

動かしてみる

ユースケースとして以下のようなプログラムを用意しました。
ビジーループ内では、SysTick割り込み(1[ms])があったときに立つtick_1ms_flagを監視させました。
その後、tick_1ms_flagが立った回数をカウントして1[s]を計測するようにしています。
1[s]経過していたら、これまでと同様にLチカさせています。

#include "PIOdriver.h"
#include "SysTick.h"
#include "type.h"

extern uint8_t tick_1ms_flag;

int main(void)
{
    uint8_t status  = PIO_PORT_GROUP_D_12;
    uint8_t gpio_lv = PIO_SIGNAL_LV_L;
    static uint32_t tick_1sec_flag = 0;

    /* ポートドライバを初期化 */
    PIO_init();
    /* OSタイマドライバを初期 */
    SysTick_init();

    /* OSタイマ開始 */
    SysTick_start();

    while(1)
    {
        /* 1msTick割り込みがあった場合 */
        if(tick_1ms_flag == 1)
        {
            tick_1ms_flag = 0;
            tick_1sec_flag++;
        }

        /* 1sec経過していなかった場合 */
        if(tick_1sec_flag != 1000)
        {
            continue;
        }
        tick_1sec_flag =  0;

        switch(status)
        {
        case PIO_PORT_GROUP_D_12:
            status = PIO_PORT_GROUP_D_13;
            break;
        case PIO_PORT_GROUP_D_13:
            status = PIO_PORT_GROUP_D_14;
            break;
        case PIO_PORT_GROUP_D_14:
            status = PIO_PORT_GROUP_D_15;
            break;
        case PIO_PORT_GROUP_D_15:
            status = PIO_PORT_GROUP_D_12;
            break;
        defualt:
            break;
        }

        /* ポート読み込み */
        gpio_lv = PIO_read(status);

        /* 読み込んだポートの値を反転させて書き込み */
        PIO_write(status, ~gpio_lv);
    }

    return (0);
}

こんな感じで動けば成功です！