ARM系统时钟和定时器
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
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]
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
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
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
功能 位 设置
开启/停止 0 0：停止定时器0；1：开启定时器0
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0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
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。
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
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
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