系统时钟和定时器

《嵌入式Linux应用完全开发手册》第2篇第10章总结归纳

本章目标

1. 了解S3C2410/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
3. 掌握在不同频率下设置存储控制器的方法
4. 掌握PWM定时器的用法
5. 了解WATCHDOG定时器的用法

时钟体系以及各类时钟部件

S3C2410/S3C2440时钟体系

S3C2410/S3C2440的时钟控制逻辑既可以外接晶振，然后通过内部电路产生时钟源；也可以直接使用外部提供的时钟源，它们通过引脚的设置来选择。时钟控制逻辑给整个芯片提供了3种时钟。FCLK用于CPU核，HCLK用于AHB总线上的设备，比如CPU核、存储控制器、中断控制器、LCD控制器、DMA和USB主机模块等，PCLK用于APB总线上的设备，比如WATCHDOG、IIS、IIC、PWM定时器、MMC接口、ADC、UART、GPIO、RTC、SPI。
AHB（Advanced High performance Bus）总线主要用于高性能模块（CPU、DMA和DSP等）之间的连接；APB（Advanced Peripheral Bus）总线主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART，IIC等。
S3C2410核的工作电压为1.8V时，主频可达200MHz；工作电压为2.0V，主频可达266MHz。S3C2440核的工作电压为1.2V时，主频可达300MHz；工作电压为1.3V时，主频可达300MHz。为了降低电磁干扰，降低板间布线的要求，S3C2410/S3C2440外接晶振的频率一般很低，本开发板上的为12MHz，需要通过时钟控制逻辑的PLL提高系统时钟。
S3C2410/S3C2440有两个PLL，MPLL和UPLL。UPLL专用于USB设备，MPLL用于设置FCLK、HCLK、PCLK。它们的设置方式类似。以MPLL为例。
上电时，PLL没启动，FCLK即等于外部输入的时钟，称为Fin。若要提高系统时钟，需要软件来启动PLL。结合下图来介绍PLL的设置过程。

1. 上电几毫秒后，晶振（图中的OSC）输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），nRESET信号恢复高电平之后，CPU开始执行指令。
2. 可以在程序开头启动MPLL，设置MPLL的几个寄存器之后，需要等待一段时间（Lock Time），MPLL的输出才稳定。这段时间（Lock Time）内，FCLK停振，CPU停止工作。Lock Time的长短由寄存器LOCKTIME设定。
3. Lock Time之后，MPLL的输出才稳定，CPU工作在新的FCLK下。

FCLK、HCLK、PCLK的比例是可以改变的，设置它们三者的比例，启动MPLL只需要设置3个寄存器。

1. LOCKTIME寄存器（LOCK TIME COUNT），用于设置“Lock Time”的长度。
   MPLL启动后需要等待一段时间（Lock Time），使得其输出稳定。S3C2410中，位[23:12]用于UPLL，位[11:0]用于MPLL。S3C2440中，位[31:16]用于UPLL，位[15:0]用于MPLL。一般而言。使用它的默认值即可，S3C2410中默认值为0x00FFFFFF，S3C2440中的默认值为0xFFFFFFFF。
2. MPLLCON寄存器（Main PLL Control），用于设置FCLK与Fin的倍数，
   位[19:12]的值称为MDIV，位[9:4]的值称为PDIV，位[1:0]的值称为SDIV。FCLK与Fin的关系有如下计算公式：

   //对于S3C2410
   MPLL（FCLK） = （m*Fin）/(p*2^s)
   其中：m = MDIV + 8，p = PDIV + 2,s = SDIV。
   
   //对于S3C2440
   MPLL（FCLK） = （2*m*Fin）/(p*2^s)
   其中：m = MDIV + 8，p = PDIV + 2,s = SDIV。

   设置MPLLCON就相当于之前图中说的“首先使用软件来设置PLL”，Lock Time就被自动插入。Lock Time之后，MPLL输出稳定，CPU工作在新的FCLK下。
3. CLKDIVN寄存器（CLOCK DIVIDER CONTROL），用于设置FCLK、HCLK、PCLK三者的比例。
   对于S3C2410、S3C2440这个寄存器表现稍有不同

   CLKDIVN	位	说明
   HDIVN1	2	0表示保留，1表示FCLK：HCLK：PCLK=1：4：4，此时HDIVN、PDIVN必须设为0b00
   HDIVN	1	HCLK的分频系数，0-HCLK=FCLK，1-HCLK=FCLK/2
   PDIVN	0	PCLK的分频系数，0-PCLK=HCLK，1-PCLK=HCLK/2

对于S3C2440的一些时钟比例，还需要额外设置一个寄存器CAMDIVN。下图中，HDIVN为CLKDIVN寄存器的位[2:1]，PDIVN为位[0]；HCLK4_HALF、HCLK3_HALF分别为CAMDIVN寄存器的位[9]、[8]。各种时钟比例对应的寄存器设置如下图所示：

对于S3C2410，HDIVN是CLKCIVN寄存器的位[1]，对于S3C2440，HDIVN是CLKDIVN寄存器的位[2:1]。如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode”，这可以通过如下指令来完成。

#MMU_SetAsyncBusMode
mrc p15,0,r0,c1,c0,0
orr r0,r0,#R1_nF:OR:R1_iA
mcr p15,0,r0,c1,c0,0

其中的“#R1_nF:OR:R1_iA”等于0xC0000000。如果HDIVN非0时，而CPU的总线模式仍是“fast bus mode”，则CPU的工作频率将自动变为HCLK，而不再是FCLK。

PWM定时器

S3C2410/S3C2440的定时器部件完全一样，共有5个16位的定时器。其中定时器0、1、2、3有PWM（Pulse Width Modulation）功能，即它们都只有一个输出引脚，可以通过定时器来控制引脚周期性的高低电平变化；定时器4没有输出引脚。
定时器部件的时钟源为PCLK，首先通过两个8位的预分频器降低频率：定时器0、1共用第一个预分频器，定时器2、3、4共用第一个预分频器。预分频器的输出将进入第二级分频器。它们输出5种频率的时钟，2、4、8、16分频或者外部时钟TCLK0/TCLK1。每个定时器的工作时钟可以从这5种频率中选择。
两个预分频都可以通过TCFG0寄存器来设置，每个定时器工作在哪个频率下也可以通过TCFG1寄存器来选择。下图形象的说明了定时器的结构：

上面只是确定了定时器的工作频率，至于定时器如何工作还得了解其内部结构。定时器内部控制逻辑的工作流程如下：

1. 程序初始化，设定TCMPBn、TCNTBn这两个寄存器，它们表示定时器n的比较值，初始计数值。
2. 随之设置TCON寄存器启动定时器n，这时，TCMPBn、TCNTBn的值将被装入其内部寄存器TCMPn、TCNTn中。在定时器n的工作频率下，TCNTn开始减1计数，其值可以通过读取TCNTOn寄存器得知。
3. 当TCNTn的值等于TCMPn的值时，定时器n的输出管脚TOUTn反转；TCNTn继续减1计数。
4. 当TCNTn的值到达0时，其输出管脚TOUTn再次反转，并触发定时器n的中断（如果使能了中断的话）。
5. 当TCNTn的值到达0时，如果在TCON寄存器中将定时器n设为自动加载，则TCMPB0和TCNTB0寄存器的值被自动装入TCMP0和TCNT0寄存器中，下一个计数流程开始。
   定时器n的输出管脚TOUTn初始状态为高电平，以后在TCNTn的值等于TCMPn的值、TCNTn的值时反转。也可以通过TCON寄存器设置其初始电平，这样TOUTn的输出就完全反相了。通过设置TCMPBn、TCNTBn的值可以设置管脚TOUTn输出信号的占空比，这就是所谓的可调制脉冲（PWM），所以这些定时器就可以称为PWM定时器。

定时器的寄存器：

1. TCFG0寄存器（TIMER CONTFIGURATION）
   位[7:0]、位[15:8]分别用来控制预分频器0、1。它们的值为0-255。经过预分频器出来的时钟频率为PCLK/{prescaler value + 1}。
2. TCFG1寄存器（TIMER CONTFIGURATION）
   经过预分频器的得到的时钟将被2分频、4分频、8分频和16分频，除这4种频率外，额外的，定时器0、1还可以工作在外接的TCLK0时钟下，定时器2、3、4还可以工作在外接的TCLK1时钟下。
   通过TCFG1寄存器来设置这5个定时器，分别工作于这5个频率的哪一个之下，如下表所示：
   
   这样，定时器n的工作频率或者是外接的TCLK0或TCLK1可通过这个公式进行计算：

   定时器工作频率 = PCLK / {presacaler value + 1} / {divider value}
   {prescaler value} = 0-255
   {divider value} = 2,4,8,16

3. TCNTBn/TCMPBn寄存器（COUNT BUFFER REGISTER & COMPARE BUFFER REGISTER）
   n为0-4，这四个寄存器都只用到位[15:0],TCNTBn中保存定时器的初始计数值，TCMPBn中保存比较值。它们的值在启动定时器时，被传到定时器内部寄存器TCNTn、TCMPn中。
   没有TCMPB4因为定时器4没有输出引脚。
4. TCNTOn寄存器（COUNT OBSERVATION）。
   n为0-4，定时器n被启动后，内部寄存器TCNTn在其工作时钟下不断减1计数，可以通过读取TCNTOn寄存器得知其值。
5. TCON寄存器（TIMER CONTROL）。
   它有以下4个作用:
   1. 第一次启动定时器时“手动”将TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。
   2. 启动、停止定时器。
   3. 决定在定时器计数到达0时是否自动将TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。
   4. 决定定时器的管脚TOUTn的输出电平是否反转。
      TCON寄存器位[3:0]、位[11:8]、位[15:12]、位[19:16]、位[22:20]分别用于定时器0-4。除定时器因为没有输出引脚在没有“输出反转”位外，其他位的功能相似，下表以定时器0为例说明这些寄存器：

      功能	位	位置
      开启/停止	0	0：停止定时器 1：开启定时器
      手动更新	1	0：无用 1：将TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中
      输出反转	2	0：TOUT0不反转 1：TOUT0反转
      自动加载	3	0：不自动加载 1：在定时器计数达到0时，TCNTBn/TCMPBn寄存器的值自动装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中

第一次使用定时器时，需要设置“手动更新”位为1以使TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入TCNTn、TCMPn中。下一次如果还要设置这一位，需要先将它清0。

WATCHDOG 定时器

WATCHDOG定时器可以像一般16位定时器一样用于产生周期性的中断，也可以用于发出复位信号以重启失常的系统。它与PWM定时器结构类似。

同样的，WATCHDOG定时器的8位预分频器将PCLK分频后，将再次分频得到4种频率。16、32、64、128分频。WATCHDOG 定时器可以选择工作于哪种频率之下。WTCNT寄存器按照其工作频率减1计数，当达到0时，可以产生中断信号，可以输出复位信号。在第一次使用WATCHDOG 定时器时，需要往WTCNT寄存器中写入初始计数值，以后在计数值达到0时自动从WATDAT寄存器中装入，重新开始下一个计数周期。
使用WATCHDOG 定时器的“WATCHDOG 功能”时，在正常的程序中，必须不断重新设置WTCNT寄存器使得它不为0，这样可以保证系统不被重启，称为“喂狗”。当程序崩溃时不能正常喂狗，计数值达到0后系统将被重启，这样程序将程序运行。为了克服各种干扰、避免各类系统错误时系统彻底死机，经常使用WATCHDOG 功能。
WATCHDOG 定时器涉及到的寄存器如下：

1. WTCON寄存器（WATCHDOG TIMER CONTROL）
   用于设置预分频系数，选择各种频率，决定是否使能中断，是否启用WATCHDOG 功能（即是否输出复位信号）。

   功能	位	说明
   WATCHDOG功能	0	当定时器达到0时，0：不输出复位信号 1：输出复位信号
   中断使能	1	0：禁止中断 1：使能中断
   时钟选择	[4:3]	选择分频系数 0b00：16 0b01：32 0b10：64 0b11：128
   定时器启动	5	0：停止 1：启动
   预分频系数	[15:8]	预分频系数：0-255

与PWM定时器相似，WATDOG定时器的工作频率可以通过这公式计算：

WATDOG定时器工作频率=PCLK/{presacler value + 1}/{divider value}
{prescaler value} = 0-255
{divider value} = 16,32,64,128

2. WTDAT寄存器（WATCHDOG TIMER DATA）
   WTDAT寄存器被用来决定WATCHDOG定时器的超时周期，在定时器启动后，当计数达到0时，WTDAT寄存器的值会自动传入WTCNT寄存器。不过，第一次启动WATCHDOG定时器时，WTDAT寄存器的值会自动传入WTCNT寄存器。
3. WTCNT寄存器（WATCHDOG TIMER COUNT）
   在启动WATCHDOG前，必须往这个寄存器写入初始计数值。启动定时器后，它减1计数，当计数值达到0时：如果中断被使能的话发出中断，如果WATCHDOG功能被使能的话就发出复位信号，装载WTDAT寄存器的值并重新计数。

MPLL和定时器操作实例

程序设计

本实例讲解MPLL、定时器的使用。首先启动MPLL提高系统时钟，初始化存储控制器使SDRAM工作在新的HCLK下，然后将定时器0设为0.5s产生一次中断，在中断程序里改变LED的状态。

代码详解

4个关键点：设置/启动MPLL、根据HCLK设置存储控制器、初始化定时器0、定时器中断。

设置/启动MPLL

clock_init函数用于设置MPLL，本开发板的输入时钟频率Fin为12MHz，将FCLK、HCLK、PCLK分别设为200MHz、100MHz和50MHz。代码如下：

#define S3C2410_MPLL_200MHZ ((0x5C << 12) | (0x04 << 4) | (0x00))
#define S3C2440_MPLL_200MHZ ((0x5C << 12) | (0x01 << 4) | (0x02))

/*
对于MPLLCON寄存器，[19:12]为MDIV，[9:4]为PDIV，[1:0]为SDIV
有如下计算公式：
S3C2410：MPLL（FCLK） = （m*Fin）/ (p*2^s)
S3C2440：MPLL（FCLK） = （2*m*Fin）/ (p*2^s)
其中 m = MDIV + 8，p = PDIV + 2,s = SDIV。
本开发板Fin = 12MHz
设置CLKDIVN，令分频比为FCLK：HCLK：PCLK=1：2：4
FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz
*/
void clock_init(void)
{
    // LOCKTIME = 0x00ffffff;                   //使用默认值即可
    CLKDIVN = 0x03;                             //FCLK：HCLK：PCLK=1：2：4  HDIVN = 1,PDIVN = 1

    //如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode”
    __asm__(
        "mrc p15,0,r1,c1,c0,0\n"                //读出控制寄存器
        "orr r1,r1,#0xc0000000\n"               //设置为“asynchronous bus mode”
        "mcr p15,0,r1,c1,c0,0\n"                //写入控制寄存器
    ); 
    
    //判断是S3C2410还是S3C2440
    if((GSTATUS1 == 0x3241000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
    {
        MPLLCON = S3C2410_MPLL_200MHZ;          //FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz
    }
    else
    {
        MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ;          //FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz
    }
}

第17行设置FCLK、HCLK、PCLK三者分频比为1：2：4。
当HDIVN非0时，需要将CPU总线模式从“fast bus mode”设为“asynchronous bus mode”，第21-23行的汇编代码即完成此事。
第27-34行代码判断芯片是S3C2410还是S3C2440，它们的MPLL计算公式稍有不同，需要区分开来。如果处理器为S3C2410，使用第29行设置MPLL寄存器，令MDIV=0x5C，PDIV=0x04，SDIV=0，所以

MPLL(FCLK)=(m * Fin)/(p * 2 ^ s) = (0x5c + 8)*12MHz / ((0x04+2)*2^0) = 200MHz
HCLK = FCLK / 2 = 100MHz
PCLK = FCLK / 4 = 50MHz

类似的，S3C2440的FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz。

设置存储控制器

memsetup函数被用来设置存储控制器，代码如下：

/*
使用存储控制器以使用SDRAM
*/
void memsetup(void)
{
    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;

    /*
    这个函数之所以这样赋值，而不是像前面的实验（MMU）那样将配置值写在数组中，是因为要生成位置无关的代码，使得这个函数可以被复制到SDRAM之前就可以在Steppingstone中运行。
    */
    /*存储控制器13个寄存器的值*/
    p[0] = 0x22011110;                  //BWSCON
    p[1] = 0x00000070;                  //BANKCON0
    p[2] = 0x00000070;                  //BANKCON1
    p[3] = 0x00000070;                  //BANKCON2
    p[4] = 0x00000070;                  //BANKCON3
    p[5] = 0x00000070;                  //BANKCON4
    p[6] = 0x00000070;                  //BANKCON5
    p[7] = 0x00018005;                  //BANKCON6
    p[8] = 0x00018005;                  //BANKCON7

    /*
    REFRESH,
    HCLK = 12MHz:0x008C07A3
    HCLK = 100MHz:0x008C04F4
    */
    p[9] = 0x008C04F4;                  
    p[10] = 0x000000B1;                  //BANKSIZE
    p[11] = 0x00018030;                  //MRSRB6
    p[12] = 0x00018030;                  //MRSRB7
}

现在HCLK的值等于100MHz，REFRESH寄存器的值需要重新计算。
R_CNT = 2^11 + 1 - 100MHz * 7.8125μS = 0x04F4，所以REFRESH = 0x008C0000 + R_CNT = 0x008C0000 + 0x04F4 = 0x008C04F4。

REFRESH = 0x008c0000 + R_CNT
R_CNT = 2 ^ 11 + 1 - SDRAM时钟频率（MHz） * SDRAM刷新周期（μS）

对于第12到第20行为何用这么笨拙的方式设置存储控制器的13个寄存器，在连接脚本timer.lds中，全部代码的起始运行地址都被设为0x30000000，但是在执行memsetup函数时，代码仍在SRAM（Steppingstone）中，为了能够在Steppingstone中运行这个函数，它应该是位置无关的代码，而第12到第20行得手工赋值可以达到这个要求。

初始化定时器0

tiemr0_init函数用于初始化定时器0，根据相关寄存器的格式并参考代码中的注释就可以理解这个函数，代码如下：

/*
Timer input clock Frequence = PCLK / {prescaler value + 1}/{divider value}
{prescaler value} = 0-255
{divider value} = 2,4,8,16
本实验的Timer0的时钟频率=100MHz/(99 + 1)/(16) = 62500Hz
设置Timer0 0.5s触发一次中断
*/

void timer0_init(void)
{
    TCFG0 = 99;                 //预分频器0 = 99
    TCFG1 = 0x03;               //选择16分频
    TCNB0 = 31250;              //0.5s触发一次中断
    TCON |= (1 << 1);           //手动更新
    TCON = 0x09;                //自动加载，清除“手动更新位”，启动定时器0
}

定时器中断

head.S中调用timer0_init函数之后，定时器0即开始工作；调用init_irq函数使能定时器0中断，设置CPSR寄存器开启IRQ中断之后，每当定时器0达到0就会触发中断。init_irq函数很简单，在init.c中，代码如下：

/*
定时器0中断使能
*/
void init_irq(void)
{
    //定时器0中断使能
    INTMSK &= (~(1 << 10));

}

发生定时器中断时，CPU将调用其中断服务程序Timer0_Handle,它在interrupt.c中：

void Timer0_Handle(void)
{
    /*
    每次中断令4个LED改变状态
    */
    if(INTOFFSET == 10)
    {
        GPBDAT = ~(GPBDAT & (0xf << 5));
    }
    
    //清除中断
    SRCPND = 1 << INTOFFSET;
    INTPND = INTPND;
}

定时器0的中断使用SRCPND、INTPND寄存器中的位10来表示。中断服务程序Timer0_Handle先判断是否定时器0的中断，若是则反转4个LED的状态。

实例测试

编译生成的bin文件烧入NAND Flash后，上电运行，即可看到4个LED每1S闪烁一次。
将head.S中对clock_init函数的调用去掉，不启用MPLL，并随之将init.c中的memesetup函数的REFRESH寄存器改为12MHz对应的0x008C07A3。重新编译、烧写。可以看到差不多8S这4个LED才闪烁一次。