ARM学习笔记－－系统时钟和定时器

布满荆棘的人生 2022-03-26 13:56 395阅读 0赞

** **摘自：《嵌入式Linux应用开发完全手册》——韦东山

** 一、时钟体系和各类时钟部件**

**1）s3c2440时钟体系**

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，也可以直接外接提供的时钟源，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3种时钟：FCLK用于CPU核心，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、I2C、PWM定时器、MMC接口、ADC、UART、GPIO、RTC和SPI

AHB（Advanced High performance Bus）总线主要用于高性能模块（CPU、DMA、DSP）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，如UART、I2C。

s3c2440的cpu核心工作电压为1.3V时，主频可以达到400Mhz，为了满足板间布线的要求，s3c2440外接的晶振频率通常很低，本开发板为12Mhz，需要通过时钟控制逻辑的PLL提高系统时钟。

s3c2440有两个PLL：MPLL和UPLL。UPLL专用于USB设备，MPLL专用于设置FCLK，HCLK，PCLK。

上电时，PLL没有启动，FCLK等于外部输入时钟，成为Fin，如果要提高系统时钟，需要软件来启动PLL。下面来介绍PLL的设置过程

![201004141953450114.jpg][]

①上电几毫秒后，晶振（OSC）输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），nRESET信号恢复高电平后，CPU开始执行指令

②可以再程序开头启动MPLL，设置MPLL的几个寄存器后，需要等待一段时间，MPLL输出才稳定，这段时间（Locktime），FCLK停诊，CPU停止工作。lock time长短由寄存器LOCKTIME设定

③Lock Time之后，MPLL输出稳定，CPU工作在心的FCLK下。

FCLK、HCLK、和PCLK比例是可以改变的，设置它们三者的比例，需要一些设置一些寄存器。

**LOCKTIME寄存器**：用于设置Lock Time的长度，s3c2440中，位\[31:16\]用于UPLL，位\[15:0\]用于MPLL，一般而言用默认的0xFFFFFFFF即可

**MPLLCON寄存器**：用于设置FCLK与Fin的倍数

位\[19:12\]为MDIV，位\[9:4\]为PDIV，位\[1:0\]为SDIV，FCLK与Fin的关系如下

对于s3c2440：MPLL（FCLK）=（2\*m\*Fin）/（p\*2^s）        m=MDIV+8， p=PDIV+2， s=SDIV

当设置MPLLCON之后，在Lock time之后，MPLL输出稳定，CPU工作在心的FCLK下

**CLKDIVN寄存器**：用于设置FCLK、HCLK、PCLK三者的比例

HDIVN为CLKDIVN寄存器的位\[2:1\]，PDIVN为CLKDIVN寄存器的位\[0\]

HCLK4\_HALF、HCLK3\_HALF分别为**CAMDIVN寄存器**的位\[9\]、位\[8\]

[![201004142034176443.jpg][]][201004142034176443.jpg]

如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从fast bus mode变为asynchronous bus mode，通过下面指令

mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0

orr r0, r0, \#R1\_nF:OR:R1\_iA

mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

其中\#R1\_nF:OR:R1\_iA等于0xC0000000。如果CPU的总线模式仍是fast bus mode，则CPU的工作频率将自动变为HCLK，而不是FCLK.

**2）PWM定时器**

S3C2440共有5个16位的定时器，定时器0、1、2、3有PWM功能，即它们都有一个输出引脚，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，通过两个8位预分频器降低频率：定时器0、1共用第一个分频器，定时器2、3、4共用第二个预分频器。预分频器的输出将进入第二级分频器。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分频、4分频、8分频、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。

这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种频率下也可以通过TCFG1寄存器来选择。如下图所示：

[![定时器结构图][201004151852295044.jpg]][201004151852295044.jpg]

定时器内部控制逻辑的工作流程：

①程序初始，设置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开始减一计数，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继续减一计数

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

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的值等于0时反转。

定时器的寄存器使用方法：

①TCFG0寄存器

位\[7:0\]、位\[15:8\]分别用于控制预分频器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\}

②TCFG1寄存器

经过预分频器得到的时钟将被2分频、4分频、8分频、16分频，除这4种频率外，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。

定时器工作频率=PCLK/\{prescaler value+1\}/\{divider value\}

\{prescaler value\}= 0-255

\{divider value\}=2,4,8,16

TCFG1寄存器格式如下图

[![201004151911383470.jpg][]][201004151911383470.jpg]

③TCNTBn/TCMPBn寄存器

这两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

④TCNTOn寄存器

定时器n被启动后，内部寄存器TCNTn在其工作时钟下不断减一计数，可以通过读取TCNTOn寄存器得知其值

⑤TCON寄存器

TCON0格式如下，TCON1位\[11:8\]，TCON2位\[15:12\]，TCON3位\[19:16\]，TCON4位\[22:20\]与TCON0类似

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

**3）WATCHDOG定时器**

WATCHDOG 定时器可以像一般的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。它的8位预分频器将 PCLK分频后，被再次分频得到4中频率，16分频、32分频、64分频、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一计数，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寄存器写入初始计数值，以后计数值到达0时自动从WATDAT寄存器中装入，重新开始下一个计数周期。

![201004151945102660.jpg][]

使用WATCHDOG定时器时，正常程序中，必须不断从新设置WTCNT寄存器使得它不为0，否则系统会不断重启，这成为喂狗，当程序崩溃不能喂狗时，系统将被重启，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定时器的寄存器如下：

①WTCON寄存器

用于设置分频系数、选择工作频率，决定是否使能中断，是否启动WATCHDOG功能，如下图所示

[![201004151945185657.jpg][]][201004151945185657.jpg]

WATDOG定时器工作频率=PCLK/\{prescaler value+1\}/\{divider value\}

\{prescaler value\}= 0-255

\{divider value\}=16,32,64,128

②WTDAT寄存器

WTDAT寄存器用来决定WATCHDOG定时器的超时周期，定时器启动后，当计数达到0时，WTDAT寄存器的值自动传入WTCNT寄存器，不过，第一次启动WATDOG定时器时，WTDAT寄存器的值会自动传入WTCNT寄存器

③WTCNT寄存器

启动WATDOG前，必须往这个寄存器写入初始计数值。启动定时器后，它减一计数，当计数为0时，如果中断使能的话发出中断，如果WATCHDOG功能被使能的话发出复位信号，装载WTDAT寄存器的值重新计数。

**二、MPLL和定时器操作实例**

这个实例首先启动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。

首先是Head.S与上一章类似，不做解释

@\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*

@ File：head.S

@ 功能：初始化，设置中断模式、系统模式的栈，设置好中断处理函数

@\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*

.extern     main

.text

.global \_start

\_start:

@\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*

@ 中断向量，本程序中，除Reset和HandleIRQ外，其它异常都没有使用

@\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*

b   Reset

@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址

HandleUndef:

b   HandleUndef

@ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式

HandleSWI:

b   HandleSWI

@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址

HandlePrefetchAbort:

b   HandlePrefetchAbort

@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址

HandleDataAbort:

b   HandleDataAbort

@ 0x14: 保留

HandleNotUsed:

b   HandleNotUsed

@ 0x18: 中断模式的向量地址

b   HandleIRQ

@ 0x1c: 快中断模式的向量地址

HandleFIQ:

b   HandleFIQ

Reset:

ldr sp, =4096           @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈

bl  disable\_watch\_dog   @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启

bl  clock\_init          @ 设置MPLL，改变FCLK、HCLK、PCLK

bl  memsetup            @ 设置存储控制器以使用SDRAM

bl  copy\_steppingstone\_to\_sdram     @ 复制代码到SDRAM中

ldr pc, =on\_sdram                   @ 跳到SDRAM中继续执行

on\_sdram:

msr cpsr\_c, \#0xd2       @ 进入中断模式

ldr sp, =4096           @ 设置中断模式栈指针

msr cpsr\_c, \#0xdf       @ 进入系统模式

ldr sp, =0x34000000     @ 设置系统模式栈指针，

bl  init\_led            @ 初始化LED的GPIO管脚

bl  timer0\_init         @ 初始化定时器0

bl  init\_irq            @ 调用中断初始化函数，在init.c中

msr cpsr\_c, \#0x5f       @ 设置I-bit=0，开IRQ中断

ldr lr, =halt\_loop      @ 设置返回地址

ldr pc, =main           @ 调用main函数

halt\_loop:

b   halt\_loop

HandleIRQ:

sub lr, lr, \#4                  @ 计算返回地址

stmdb   sp!,    \{ r0-r12,lr \}   @ 保存使用到的寄存器

@ 注意，此时的sp是中断模式的sp

@ 初始值是上面设置的4096

ldr lr, =int\_return             @ 设置调用ISR即EINT\_Handle函数后的返回地址

ldr pc, =Timer0\_Handle          @ 调用中断服务函数，在interrupt.c中

int\_return:

ldmia   sp!,    \{ r0-r12,pc \}^  @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

然后是init.c用于初始化

/\*

\* init.c: 进行一些初始化

\*/

\#include "s3c24xx.h"

void disable\_watch\_dog(void);

void clock\_init(void);

void memsetup(void);

void copy\_steppingstone\_to\_sdram(void);

void init\_led(void);

void timer0\_init(void);

void init\_irq(void);

/\*

\* 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启

\*/

void disable\_watch\_dog(void)

WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可

\#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)

\*  S3C2410: MPLL(FCLK) = (2 \* m \* Fin)/(p \* 2^s)

\*  其中: m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV

\* 对于本开发板，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 \*/

);

MPLLCON = S3C2440\_MPLL\_200MHZ;  /\* 现在，FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz \*/

/\*

\* 设置存储控制器以使用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(比如mmu实验)那样将配置值

\* 写在数组中，是因为要生成”位置无关的代码”，使得这个函数可以在被复制到

\* 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\[1\] = 0x00000700;     //BANKCON0

p\[2\] = 0x00000700;     //BANKCON1

p\[3\] = 0x00000700;     //BANKCON2

p\[4\] = 0x00000700;     //BANKCON3

p\[5\] = 0x00000700;     //BANKCON4

p\[6\] = 0x00000700;     //BANKCON5

p\[7\] = 0x00018005;     //BANKCON6

p\[8\] = 0x00018005;     //BANKCON7

/\* REFRESH,

\* HCLK=12MHz:  0x008C07A3,

\* HCLK=100MHz: 0x008C04F4

\*/

p\[9\]  = 0x008C04F4;        //2^11+1-100\*7.8125=1267.75=0x4F4

p\[10\] = 0x000000B1;     //BANKSIZE

p\[11\] = 0x00000030;     //MRSRB6

p\[12\] = 0x00000030;     //MRSRB7

void copy\_steppingstone\_to\_sdram(void)

unsigned int \*pdwSrc  = (unsigned int \*)0;

unsigned int \*pdwDest = (unsigned int \*)0x30000000;

while (pdwSrc < (unsigned int \*)4096)

\*pdwDest = \*pdwSrc;

pdwDest++;

pdwSrc++;

/\*

\* LED1-4对应GPB5、GPB6、GPB7、GPB8

\*/

\#define GPB5\_out        (1<<(5\*2))      // LED1

\#define GPB6\_out        (1<<(6\*2))      // LED2

\#define GPB7\_out        (1<<(7\*2))      // LED3

\#define GPB8\_out        (1<<(8\*2))      // LED4

void init\_led(void)

GPBCON = GPB5\_out | GPB6\_out | GPB7\_out | GPB8\_out ;

/\*

\* Timer input clock Frequency = 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 0.5秒钟触发一次中断：

\*/

void timer0\_init(void)

TCFG0  = 99;        // 预分频器0 = 99

TCFG1  = 0x03;      // 选择16分频

TCNTB0 = 31250;     // 0.5秒钟触发一次中断

TCON   |= (1<<1);   // 手动更新

TCON   = 0x09;      // 自动加载，清“手动更新”位，启动定时器0

/\*

\* 定时器0中断使能

\*/

void init\_irq(void)

// 定时器0中断使能

INTMSK   &= (~(1<<10));

interrupt.c中断服务程序

\#include "s3c24xx.h"

void Timer0\_Handle(void)

/\*

\* 每次中断令4个LED改变状态

\*/

if(INTOFFSET == 10)

GPBDAT = ~(GPBDAT & (0xf << 5));

//清中断

SRCPND = 1 << INTOFFSET;

INTPND = INTPND;

main.c不做任何事情

int main(void)

while(1);

return 0;

time.lds设置段

SECTIONS \{

. = 0x30000000;

.text          :   \{ \*(.text) \}

.rodata ALIGN(4) : \{\*(.rodata)\}

.data ALIGN(4) : \{ \*(.data) \}

.bss ALIGN(4)  : \{ \*(.bss)  \*(COMMON) \}

最后是Makefile

objs := head.o init.o interrupt.o main.o

timer.bin: $(objs)

arm-linux-ld -Ttimer.lds -o timer\_elf $^

arm-linux-objcopy -O binary -S timer\_elf $@

arm-linux-objdump -D -m arm timer\_elf > timer.dis

%.o:%.c

arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S

arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:

rm -f timer.bin timer\_elf timer.dis \*.o

[201004141953450114.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004141953450114.jpg
[201004142034176443.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004142034176443.jpg
[201004151852295044.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004151852295044.jpg
[201004151911383470.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004151911383470.jpg
[201004151945102660.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004151945102660.jpg
[201004151945185657.jpg]: http://www.sectop.com/upload/2010/4/201004151945185657.jpg