时钟分频原理

时钟分频原理 - 时钟分频原理详解

时钟分频原理

　　如果cpu是计算机的大脑&＃xff0c;电流是计算机的血液&＃xff0c;那么时钟则是计算机的心脏&＃xff0c;时钟频率决定了处理器运算的快慢&＃xff0c;它的每一次“跳动”都驱动着处理器不停的执行命令。不同的是&＃xff0c;人的各个部位心率是一样的&＃xff0c;但计算机却有多个频率&＃xff0c;而且每个部位可能有不同的频率&＃xff0c;比如“大脑”有一个频率&＃xff0c;“手“有一个频率&＃xff0c;“脚”使用的是另外一个频率&＃xff0c;这样就产生了两个问题&＃xff1a;怎么产生这些不同的频率&＃xff1f;处理器怎么与自己不同频率的外设实现交互&＃xff1f;

　　怎么产生这些不同的频率&＃xff1f;

　　为了获取稳定的时钟&＃xff0c;我们一般使用外部晶振来提供&＃xff0c;晶振是由石英和震荡电路组成的&＃xff0c;石英能够提供稳定的频率。一般一个计算机系统最少需要一个晶振&＃xff0c;有些特殊的外设也会有自己特有的晶振&＃xff0c;比如网卡&＃xff0c;显卡等&＃xff0c;但是对于大多数连接cup的外设来说是没有自己的晶振的&＃xff0c;那么就需要cpu给他们提供时钟&＃xff0c;然而不同的外设需要的时钟不一样&＃xff0c;cpu是怎么给这些外设提供不同的时钟呢&＃xff1f;

　　ARM处理器主要给外设提供了两种连接总线&＃xff0c;AHB总线&＃xff08;Advanced high Performance Bus&＃xff09;和APB总线&＃xff0c;这两种总线的时钟在没有初始化之前是一样的&＃xff0c;频率等于外部晶振提供的频率&＃xff0c;在初始化以后&＃xff0c;它们就可以为外设提供不同的时钟了。

　　AHP和APB总线的内容将放到后面章节作为补充知识了解&＃xff0c;因为他们对我们分析uboot的启动过程关系不大。由于这两种总线初始化以后&＃xff0c;时钟是不一样的&＃xff0c;所以连接的外设也不一样&＃xff0c;如下图&＃xff0c;一些工作频率较高的外设挂接在AHB总线上&＃xff0c;比如内存&＃xff0c;nandflash&＃xff0c;LCD控制器等&＃xff0c;而工作频率比较低的外设则挂接在APB总线上&＃xff0c;比如UART串口&＃xff0c;Watchdog&＃xff0c;GPIO&＃xff0c;USB等&＃xff08;注意&＃xff1a;这里使用挂接&＃xff0c;是因为这些设备是可以拔除的&＃xff0c;而不影响其他外设的工作&＃xff09;。

　　我们这里先不管这些外设是怎么和总线连接的&＃xff0c;但是先了解一点&＃xff1a;连接在同一个总线上的外设&＃xff0c;获取到的时钟是一样的。当AHB和APB上的时钟都不能满足外设需求的时候&＃xff0c;就需要PWM TImer来帮忙了。

　　上面这张图是s3c2440的时钟生成图&＃xff0c;看上去挺复杂的&＃xff0c;其实并不是那么回事&＃xff0c;对于uboot的启动来说&＃xff0c;只要了解图中红色框框的部分就可以了&＃xff0c;但是如果要编写UBS驱动或者摄像头驱动&＃xff0c;则会涉及到图中灰绿色的部分。因为我们只要分析uboot启动过程中涉及到的东西&＃xff0c;所以对USB和cam部分就不细讲了。

　　图中红色框表示的是主时钟的产生过程&＃xff0c;灰绿色的框表示USB时钟的产生过程&＃xff0c;红色线条表示输出HCLK&＃xff0c;绿色线条表示PCLK&＃xff0c;黄色线条表示FCLK。

　　uboot启动的时候&＃xff0c;需要设置时钟分频&＃xff0c;分频的目的就是产生三种时钟&＃xff1a;PCLK、FCLK和HCLK&＃xff0c;PCLK供APB总线使用&＃xff0c;HCLK供AHB总线使用&＃xff0c;FCLK则供cpu使用&＃xff0c;而且从datasheet的电气参数那一章可以查到FCLK&＃xff0c;HCLK和PCLK的最大值分别是400MHz&＃xff0c;100MHz和50MHz。下面就依照图中的步骤来分析&＃xff0c;这三种时钟是怎么产生的。下图是对上面这张图的简概&＃xff1a;

　　1.时钟源

　　为了减少外界环境对开发板的电磁干扰&＃xff0c;降低制作成本&＃xff0c;通常开发板的外部晶振时钟频率都是很低的。从图中第一个红框可以看出&＃xff0c;cpu可以连接两种外部时钟源&＃xff0c;一种是振荡时钟源&＃xff0c;一种是时钟信号&＃xff0c;前者就是石英晶体振荡电路&＃xff0c;后者是其他振荡器产生的时钟信号&＃xff0c;比如信号发生器产生的时钟信号&＃xff0c;虽然两者都是特定频率的正弦波形&＃xff0c;但是在cpu的接线方式上是有不同的。

　　\

　　从这张表中可以看出&＃xff0c;s3c2440可以连接两个时钟源&＃xff0c;一个是主时钟源&＃xff0c;一个是USB时钟源&＃xff0c;如果主时钟源需要接晶振源&＃xff0c;则OM3需要为0&＃xff0c;也就是要接地&＃xff08;这里暂时不讨论ubs时钟&＃xff09;&＃xff0c;同理&＃xff0c;如果UBS时钟源需要接晶振源&＃xff0c;则OM2要接地。从电路图中可以看到&＃xff0c;OM2和OM3都接地&＃xff0c;而且XTIpll引脚和XTOpll引脚接的是外部12M晶振&＃xff0c;所以这里开发板的时钟源是12M的外部晶振。&＃xff08;USB的时钟源这里不讨论&＃xff09;

　　需要注意的是&＃xff0c;晶振提供的时钟&＃xff0c;只有在上电以后才开始起振的&＃xff0c;而外部提供的信号时钟是板子没有上电的时候就已经在振荡了&＃xff0c;所以对晶振时钟源需要作一个特殊的处理——变频锁定。

　　2.变频锁定

　　开发板刚上电的时候&＃xff0c;晶振OSC开始提供晶振时钟&＃xff0c;由于系统刚刚上电&＃xff0c;电压信号等都还不稳定&＃xff0c;这时复位信号&＃xff08;nRESET&＃xff09;拉低&＃xff0c;那么外部晶振则直接作为系统时钟FCLK&＃xff0c;这时的FCLK是不规则的&＃xff0c;为了让cpu使用规则的时钟频率&＃xff0c;需要将clock disable一小段时间&＃xff0c;这个时间就是图中的Lock Time&＃xff0c;在这段时间里面&＃xff0c;电压会慢慢稳定&＃xff0c;时钟频率也会调整到一个新的稳定状态&＃xff08;VCO is adapted to new clock frequency&＃xff09;&＃xff0c;而且这段时间里面&＃xff0c;FCLK是为0的&＃xff0c;也就是说cpu是不会运行的&＃xff0c;当这个Lock Time结束以后&＃xff0c;FCLK就会获得一个新的频率&＃xff08;FCLK is new frequency&＃xff09;。注意这个时候的FCLK频率就是晶振提供的频率&＃xff0c;他们的大小是一样的&＃xff0c;当经过倍频以后&＃xff0c;这个值将数倍的变化。

　　下面是变频锁定时间的设定寄存器&＃xff1a;0~15位是设置主时钟源锁定时间的&＃xff0c;后15位是设置USB锁频时间的&＃xff0c;这里不考虑&＃xff0c;值得注意的是对应的锁频时间可以从datasheet的电气数据表中查到&＃xff08;PLL Lock Time&＃xff09;。

　　3.倍频设置&＃xff08;锁相环&＃xff09;

　　当cpu能够获取到稳定的时钟时&＃xff0c;就需要对时钟进行倍频了&＃xff0c;现在知道外部晶振输入的时钟时12M&＃xff0c;那怎样把这个时钟提高到100MHz&＃xff0c;甚至是400MHz呢&＃xff1f;这就涉及到了时钟生成图的第二个红框框了&＃xff08;注意框框上面的S&＃xff0c;P&＃xff0c;M字样&＃xff09;&＃xff0c;这个叫锁相环&＃xff08;PLL&＃xff09;&＃xff0c;主频的倍频操作是由MPLL来设置的&＃xff0c;而USB的倍频操作是由UPLL来设置的&＃xff0c;UPLL暂时不讨论。所以要让外部时钟经过变化&＃xff0c;扩大到400M&＃xff0c;就需要对MPLLCON寄存器进行设置。

　　从上图可以看出&＃xff0c;不管是MLLCON或者UPLLCON&＃xff0c;都由三个部分组成&＃xff0c;主分频、预分频、后分频控制位&＃xff0c;这些分频数值决定了12M进去的频率&＃xff0c;将会输出多大频率&＃xff0c;下面这张表是手册的推荐设置&＃xff1a;比如我们要将12M是时钟频率倍频成405M&＃xff0c;则需要MDIV&＃61;0x7f&＃xff0c;PDIV&＃61;0x2&＃xff0c;SDIV&＃61;1&＃xff0c;注意49M和96M是给USB的UPPLCON设置的。

　　当然也可以不参考这个表格&＃xff0c;使用计算公式

　　4.设置比例&＃xff08;分频器&＃xff09;

　　设置完PLL寄存器以后&＃xff0c;当稳定的时钟通过锁相环则会输出更大倍数的频率&＃xff0c;而这个更大倍数的频率则是FCLK&＃xff0c;现在这个值则是400MHz&＃xff0c;而不是12MHz了&＃xff0c;现在我们得到了想要的FCLK&＃xff0c;那怎么得到PCLK和HCLK呢&＃xff1f;下面就涉及到分频器的设置。

　　怎么设置HDIVN和PCIVN的数值&＃xff0c;主要查找下面的表&＃xff1a;

　　比如我们要将HCLK设置为100&＃xff0c;PCLK设置为50&＃xff0c; 那么HCLK&＃61;FCLK/4&＃xff0c;PCLK&＃61;FCLK/8&＃xff0c;查表可知为1:4&＃xff1a;8&＃xff0c;所以HDIVN&＃61;0x2&＃xff0c;PDIVN&＃61;0x1&＃xff0c; dvin_UPLL是UBS的时钟&＃xff0c;这里不讨论。

　　但是根据datasheet说明&＃xff0c;当HDIV设置为非0的时候&＃xff0c;cpu总线模式要进行改变&＃xff0c;默认情况下FCLK&＃61;HCLK&＃xff0c;cpu工作在fast bus mode快速总线模式下&＃xff0c;HDIV设置为非0后&＃xff0c;FCLK和HCLK不再相等&＃xff0c;要将cpu改为异步总线模式&＃xff0c;需要使用对应的代码进行设置。

　　所以上面三步的代码可总结如下&＃xff1a;

　　&＃xff3b;plain&＃xff3d; view plain copy#define S3C2410_MPLL_200MHZ &＃xff08;&＃xff08;0x5c《《12&＃xff09;|&＃xff08;0x04《《4&＃xff09;|&＃xff08;0x00&＃xff09;&＃xff09;

　　#define S3C2440_MPLL_200MHZ &＃xff08;&＃xff08;0x5c《《12&＃xff09;|&＃xff08;0x01《《4&＃xff09;|&＃xff08;0x02&＃xff09;&＃xff09;

　　/*

　　* 对于MPLLCON寄存器&＃xff0c;&＃xff3b;19:12&＃xff3d;为MDIV&＃xff0c;&＃xff3b;9:4&＃xff3d;为PDIV&＃xff0c;&＃xff3b;1:0&＃xff3d;为SDIV

　　* 有如下计算公式&＃xff1a;

　　* S3C2410&＃xff1a; MPLL&＃xff08;FCLK&＃xff09; &＃61; &＃xff08;m * Fin&＃xff09;/&＃xff08;p * 2^s&＃xff09;

　　* S3C2410&＃xff1a; MPLL&＃xff08;FCLK&＃xff09; &＃61; &＃xff08;2 * m * Fin&＃xff09;/&＃xff08;p * 2^s&＃xff09;

　　* 其中&＃xff1a; m &＃61; MDIV &＃43; 8&＃xff0c; p &＃61; PDIV &＃43; 2&＃xff0c; s &＃61; SDIV

　　* 对于本开发板&＃xff0c;Fin &＃61; 12MHz

　　* 设置CLKDIVN&＃xff0c;令分频比为&＃xff1a;FCLK:HCLK:PCLK&＃61;1:2&＃xff1a;4&＃xff0c;

　　* FCLK&＃61;200MHz&＃xff0c;HCLK&＃61;100MHz&＃xff0c;PCLK&＃61;50MHz

　　*/

　　void clock_init&＃xff08;void&＃xff09;

　　{

　　// LOCKTIME &＃61; 0x00ffffff; // 使用默认值即可

　　CLKDIVN &＃61; 0x03; // FCLK:HCLK:PCLK&＃61;1:2&＃xff1a;4&＃xff0c; HDIVN&＃61;1&＃xff0c;PDIVN&＃61;1

　　/* 如果HDIVN非0&＃xff0c;CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */

　　__asm__&＃xff08;

　　“mrc p15&＃xff0c; 0&＃xff0c; r1&＃xff0c; c1&＃xff0c; c0&＃xff0c; 0\n” /* 读出控制寄存器 */

　　“orr r1&＃xff0c; r1&＃xff0c; #0xc0000000\n” /* 设置为“asynchronous bus mode” */

　　“mcr p15&＃xff0c; 0&＃xff0c; r1&＃xff0c; c1&＃xff0c; c0&＃xff0c; 0\n” /* 写入控制寄存器 */

　　&＃xff09;;

　　/* 判断是S3C2410还是S3C2440 */

　　if &＃xff08;&＃xff08;GSTATUS1 &＃61;&＃61; 0x32410000&＃xff09; || &＃xff08;GSTATUS1 &＃61;&＃61; 0x32410002&＃xff09;&＃xff09;

　　{

　　MPLLCON &＃61; S3C2410_MPLL_200MHZ; /* 现在&＃xff0c;FCLK&＃61;200MHz&＃xff0c;HCLK&＃61;100MHz&＃xff0c;PCLK&＃61;50MHz */

　　}

　　else

　　{

　　MPLLCON &＃61; S3C2440_MPLL_200MHZ; /* 现在&＃xff0c;FCLK&＃61;200MHz&＃xff0c;HCLK&＃61;100MHz&＃xff0c;PCLK&＃61;50MHz */

　　}

　　}

　　对于USB和CAM的时钟设置都是相似的&＃xff0c;这里就不累述了

　　补充&＃xff1a;

　　前面介绍了锁相环寄存器的设置&＃xff0c;这里对锁相环的工作原理作一个简述。一个12MHz的时钟经过锁相环以后&＃xff0c;产生了400MHz的FCLK时钟&＃xff0c;它是怎么办到的呢&＃xff1f;

　　锁相环的作用比较多&＃xff0c;不仅可以倍频&＃xff0c;还可以合成频率&＃xff0c;音频解码等&＃xff0c;实现原理有所不同&＃xff0c;下图是S3c2440的锁相环实现原理图&＃xff1a;

　　&＃xff08;1&＃xff09;当外部时钟Fin进入锁相环的时候&＃xff0c;预分频器&＃xff08;Divider P&＃xff09;会将该时钟进行处理得到Fref信号&＃xff0c;这个信号是reference参考信号&＃xff0c;用于后面分频的相位参考。

　　&＃xff08;2&＃xff09;Fref将第一次进入PFD&＃xff08;Phase Frequency Detector&＃xff09;相位鉴定器&＃xff0c;它主要完成Fref和Fvco的相位鉴定&＃xff0c;当输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的时候&＃xff0c;锁相环进入相位锁定的状态&＃xff0c;当输出和输入信号的频率和相位有差异的时候&＃xff0c;则会发送信号给PUMP。

　　&＃xff08;3&＃xff09;PUMP会将PFD的控制信号转换成合适电压信号给循环滤波器

　　&＃xff08;4&＃xff09;滤波器会对从PUMP过来的波形进行过滤&＃xff0c;然后将信号送给VCO

　　&＃xff08;5&＃xff09;VCO&＃xff08;Voltage Controlled Oscillator&＃xff09;&＃xff0c;压控振荡器&＃xff0c;这里是倍频的关键步骤&＃xff0c;压控振荡器的振荡频率会随时间而变&＃xff0c;锁相环进入“频率牵引”&＃xff0c;自动跟踪捕捉输入信号的频率&＃xff0c;然后将输出进行主分频&＃xff08;Divider M&＃xff09;&＃xff0c;产生Fvco.

　　&＃xff08;6&＃xff09;Fvco会进入PFD与Fref进行相位和频率的差异对比&＃xff0c;如果处在差异&＃xff0c;则继续进入循环&＃xff0c;如果没有差异&＃xff0c;则PFD停止向PUMP发送信号&＃xff0c;锁相环进入相位锁定的状态。

　　&＃xff08;7&＃xff09;当锁相环进入相位锁定的状态&＃xff0c;VCO的输出将通过后分频器&＃xff08;Divider S&＃xff09;输出MPLL或者UPLL。

　　所以要使用锁相环&＃xff0c;就需要设置XPLLCON的P&＃xff0c;M&＃xff0c;S&＃xff1b;关于锁相环的更具体的原理&＃xff0c;请GOOGLE。

　　至于分频器的工作原理比较简单&＃xff0c;主要是改变波形的占空比达到将高频变低频的效果&＃xff0c;所以需要设置HDIVN和PDIVN。

　　总结&＃xff1a;这篇文章分析了怎么设置时钟分频&＃xff0c;让cpu以及外部设备工作在更高的频率上面&＃xff0c;主要涉及三个寄存器的设置——LOCKTIMRE&＃xff0c;MPLLCON&＃xff0c;CLOCKDIVN

　　再回忆一下开发板启动的过程&＃xff0c;当开发板上电的时候&＃xff0c;启动过程是&＃xff1a;进入管理模式——关看门狗——关中断——时钟分频。。.

　　在设置时钟分频以前&＃xff0c;cpu都是工作在12Mhz频率的&＃xff0c;当设置完时钟分频后&＃xff0c;cpu的工作频率将是400MHZ&＃xff0c;这相当于完成了一个蜕变&＃xff0c;从一个普通人变成了超人&＃xff0c;多了几十倍的反应速度&＃xff0c;更加高效的执行后面的代码。想想如果没有对时钟进行倍频处理&＃xff0c;仍然让它运行在12MHz&＃xff0c;处理同一件任务多要30多倍的时间&＃xff0c;将是一件多么折磨人的事情。

　　接下来将会继续对时钟这个问题进行分析&＃xff0c;虽然这里分析了怎么设置时钟分频&＃xff0c;但是这只是开始&＃xff0c;后面将对省电模式&＃xff0c;快启动&＃xff0c;慢启动&＃xff0c;实时时钟&＃xff0c;pwm时钟等内容进行讲解。