ARM芯片时钟体系
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ARM芯片时钟体系
目标： 1、了解S3C2440的时钟体系结构 2、掌握通过设置MPLL改变系统时钟的方法
一、S3C2440的时钟体系结构
什么是时钟体系？ ARM的时钟系统包括4部分，分为晶体振荡器、唤醒定时器、锁相环（PLL）和VPB分频器，是一种电路。 时钟系统有什么作用？ 时钟是嵌入式系统的脉搏，处理器内核在时钟驱动下完成指令执行，状态变换等动作。 外设部件在时钟的驱动下完成各种工作，比如串口数据的发送、A/D转换、定时器计数等等。 时钟体系是怎么运作的？ 当系统复位或者处理器从掉电模式唤醒时，“唤醒定时器”要对输入的时钟信号做计数延时，使芯片内部的部件有时间进行初始化。 然后Fosc（时钟源）被PLL（锁相环/倍频器）提高到一个符合用户需要的频率Fcclk，Fcclk用于CPU内核。因为CPU内核通常比外设部件的工作速度要快，
用户可以通过设置VPB分频器，把Fcclk信号降低到一个合适的值Fpclk，该信号用于外设部件。如下图： 再看看2440的结构图 由上图，可知时钟控制逻辑给整个芯片提供了3种时钟：
FCLK：帧时钟，用于CPU核；（如何选择CPU核的工作时钟是FCLK还是HCLK？）
HCLK：总线时钟，用于AHB高速总线上的设备，比如CPU核，存储器控制器、中断控制器、LCD控制器等
PCLK：外设时钟，用于APB总线上的设备，如看门狗，IIS,IIC,PWM,UART,GPIO,SPI,MMC等。
对于2440 外接的晶振仅12MHz, 但CPU核的主频可以高达400MHz，总线时钟可以达136MHz, 而外设时钟可达68MHz，那如何设置才能使不同的时钟输出不同的时钟频率呢？
通过一些硬件单元来处理，PLL–Phase Locked Loop – 锁相环，
2440有两个锁相环，MPLL – Main PLL ，UPLL – USB PLL，两者设置方法相同，以MPLL为例。
从芯片手册上可以看到，时钟模块发生框图： 在该图的左上角，晶振和一个外部时钟接在一个选择器上，这个选择器通过OM[3:2]的值来决定选择哪个时钟源。然后生成的MPLL(Main PLL)和UPLL(USB PLL)，MPLL直接提供给FCLK，通过HDIVN分频给HCLK，通过PDIVN分频给PCLK，再传给下面的各个设备： 那如何设置PLL？ 二、PLL的设置过程
1）上电几毫秒后，晶振（SOC）输出稳定，FCLK 等于晶振频率，nRESET信号在电压稳定后恢复高电平，CPU开始执行指令。
2）在nRESET信号的上升沿，引脚OM[2：3]的电平被内部电路捕获后，就可以操作PLL。在程序开头启动MPLL，设置MPLL相关寄存器后，需要等待一段时间（Lock Time），MPLL输出才稳定。在Lock Time内，FCLK停振，CPU停止工作。Lock Time由寄存器LOCKTIME设定。
3）Lock Time之后，MPLL输出正常，CPU工作在新的FCLK下。 三、设置寄存器，调整FCLK： HCLK ： PCLK ，使CPU工作于400MHz的频率下
调整FCLK： HCLK ： PCLK = 400MHz : 100MHz : 50MHz
—— MPLLCON --FCLK = 400MHz
—— CLKDIVN – HCLK = FCLK / 4 PCLK = FCLK / 8
(LOCKTIME寄存器使用默认值)
1）时钟分频控制寄存器 — CLKDIVN 不涉及UCLK，[3]取默认值。HCLK 取FCLK/4，[2:1] = 10，且CAMDIVN[9]默认为0。 PCLK = HCLK / 2 = FCLK / 8，故[0] =1
故：CLKDIVN = 0x5； 2）设置MPLLCON，主分频控制寄存器 先设置MPLLCON，使FCLK=400MHz， 直接查看芯片手册上的PLL值选择表
12MHz的晶振，输出频率为400MHz时的参数：MDIV=92(0x5c)，PDIV =1, SDIV=1 验证一下： m = 92+8=100 , p = 1+2=3 , s = 1 MPLL = (2 * 100 * 12MHz) / (3 * 2^1) = 400MHz
MPLLCON = （92 << 12） | （1 << 4） | （1<<0）
3）设置CPU为异步总线模式 基本设置已经完成，在芯片手册上还有一些注意事项： 1-- CLKDIVN的值不应该超过HCLK和PCLK的最小值
2-- 若HDIVN不为0，CPU总线模式应该使用以下指令使其从快速总线模式改为异步总线模式（S3C2440不支持同步总线模式）
若HDIVN不为0，并且CPU总线模式为快速总线模式，CPU就会运行在HCLK，由此CPU主频会为FCLK下的一半或一半多。
其中：#R1_nF:OR:R1_iA 为0xC000 0000
实例：
在实现LED循环点灯的程序上实验，观察CPU主频从12MHz改为400MHz前后的变化
12MHz下：
1 #define __REG(x) (*(volatile unsigned int *)(x))
2 #define GPFCON __REG(0x56000050) //Port F control
3 #define GPFDAT __REG(0x56000054) //Port F data
4
5 void delay(volatile int d)
6 {
7 while (d--);
8 }
9
10 int main(void)
11 {
12 int val = 0; /* val: 0b000, 0b111 */
13 int tmp;
14
15 /* 设置GPFCON让GPF4/5/6配置为输出引脚 */
16 GPFCON &= ~((3<<8) | (3<<10) | (3<<12));
17 GPFCON |= ((1<<8) | (1<<10) | (1<<12));
18
19 /* 循环点亮 */
20 while (1)
21 {
22 tmp = ~val;
23 tmp &= 7;
24 GPFDAT &= ~(7<<4);
25 GPFDAT |= (tmp<<4);
26 delay(100000);
27 val++;
28 if (val == 8)
29 val =0;
30
31 }
32
33 return 0;
34 }
led.c
1 .text
2 .global _start
3
4 _start:
5
6 /* 关闭看门狗 */
7 ldr r0, =0x53000000
8 ldr r1, =0
9 str r1, [r0]
10
11 /* 设置内存: sp 栈 */
12 /* 分辨是nor/nand启动
13 * 写0到0地址, 再读出来
14 * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
15 * 否则就是nor启动
16 */
17 mov r1, #0
18 ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
19 str r1, [r1] /* 0->[0] */
20 ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
21 cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
22 ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
23 moveq sp, #4096 /* nand启动 */
24 streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */
25
26
27 bl main
28
29 halt:
30 b halt
31
start.s
1 all:
2 arm-linux-gcc -c -o led.o led.c
3 arm-linux-gcc -c -o start.o start.S
4 arm-linux-ld -Ttext 0 start.o led.o -o led.elf
5 arm-linux-objcopy -O binary -S led.elf led.bin
6 arm-linux-objdump -D led.elf > led.dis
7 clean:
8 rm *.bin *.o *.elf *.dis
9
Makefile
400MHz下 修改start.s
1 .text
2 .global _start
3
4 _start:
5
6 /* 关闭看门狗 */
7 ldr r0, =0x53000000
8 ldr r1, =0
9 str r1, [r0]
10
11 /* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400MHz : 100MHz : 50MHz */
12 /* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */
13 ldr r0, =0x4C000000
14 ldr r1, =0xFFFFFFFF
15 str r1, [r0]
16
17 /* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8 */
18 ldr r0, =0x4C000014
19 ldr r1, =0x5
20 str r1, [r0]
21
22 /* 设置CPU工作于异步模式 */
23 mrc p15,0,r0,c1,c0,0
24 orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA
25 mcr p15,0,r0,c1,c0,0
26
27 /* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
28 * m = MDIV+8 = 92+8=100
29 * p = PDIV+2 = 1+2 = 3
30 * s = SDIV = 1
31 * FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M
32 */
33 ldr r0, =0x4C000004
34 ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
35 str r1, [r0]
36
37 /* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定
38 * 然后CPU工作于新的频率FCLK
39 */
40
41
42
43 /* 设置内存: sp 栈 */
44 /* 分辨是nor/nand启动
45 * 写0到0地址, 再读出来
46 * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
47 * 否则就是nor启动
48 */
49 mov r1, #0
50 ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
51 str r1, [r1] /* 0->[0] */
52 ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
53 cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
54 ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
55 moveq sp, #4096 /* nand启动 */
56 streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */
57
58
59 bl main
60
61 halt:
62 b halt
63
start.s
可以观察到在提高CPU时钟频率后，LED闪烁的频率比之前快了很多。
参考： 什么是系统时钟？什么是时钟系统？时钟系统有什么作用 第010课 掌握ARM芯片时钟体系
来源
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