S3C2410时钟

一、对clock的基本认识

 

第七部分是“clock & power management”，总结如下：

 

    1 s3c2410的clock & power management模块包含三个部分：clock control、usb control、power control。现在的关注点是clock control。

 

    2、s3c2410有两个pll（phase locked loop，锁相环，在高频中学过，可以实现倍频，s3c2410的高频就是由此电路产生的）。其中一个是MPLL，M即为main，用来产生三种时钟信号：Fclk（给CPU核供给时钟信号，我们所说的s3c2410的cpu主频为200MHz，就是指的这个时钟信号，相应的，1/Fclk即为cpu时钟周期）、Hclk（为AHB bus peripherals供给时钟信号，AHB为advanced high-performance bus）、Pclk（为APB bus peripherals供给时钟信号，APB为advanced peripherals bus）。在这里，需要了解一下AMBA system architecture了。这个可以到官方网站www.arm.com下载相关资料。简单的说，AMBA是一种协议，这种协议已经称为片上组织通信的事实上的标准（the de facto standard for on-chip fabric communication）。下面给出英文描述：

 

    The AMBA protocol is an open standard, on-chip bus specification that details a stategy for the interconnection and management of functional blocks that makes up a system-on-chip(SoC).It facilitates "right-first-time" development of embedded processors with one or more CPU/signal processors and multiple peripherals. The AMBA protocol enhances a resuable design methodology by defining a common backbone for SoC modules.

 

    需要知道的是，AMBA总线是ARM提出的一种解决方案，它并非唯一的规范，但是因为ARM的广泛使用，AMBA总线也就成为了事实上的规范了。现在 AMBA总线最新为AMBA 3 specification版本，包括AMBA 3 AXI Interface、AMBA 3 AHB Interface、AMBA 3 APB Interface、AMBA 3 ATB Interface。而s3c2410还只能支持AMBA 2 specification，这个版本包含AMBA 2 AHB Interface、AMBA 2 APB Interface。也就是在s3c2410的框图中看到的两种总线接口。需要注意的是，这两种总线所连的外设是有区别的。AHB总线连接高速外设，低速外设则通过APB总线互连。显然，对不同总线上的外设，应该使用不同的时钟信号，AHB总线对应Hclk，APB总线对应Pclk。那么事先就应该弄清楚，每条总线对应的外设有那些，这样在设置好时钟信号后，对应外设的初始化的值就要依此而确定了。

 

    AHB bus上的外设有LCD controller（CONT代表controller，控制器）、USB Host CONT、ExtMaster、Nand CONT和nand flash boot loader、bus CONT、interrupt CONT、power management、memory CONT（sram/nor/sdram等）。

 

    APB bus上的外设有UART、USB device、SDI/MMC、Watch Dog Timer、bus CONT、spi、iic、iis、gpio、rtc、adc、timer/pwm。

 

    3、主时钟源来自外部晶振或者外部时钟。复位后，MPLL虽然默认启动，但是如果不向MPLLCON中写入value，那么外部晶振直接作为系统时钟。 EDUKIT-III的外部晶振有两个，一是用于系统时钟，为12MHz；一个用于RTC，为32.768KHz。以前实验没有向MPLLCON写入数值，所以系统时钟都是12MHz。从这里也可以发现一个问题，如果外部晶振开始没有焊上，那么系统是无法正常启动的。因为按照上述规则，复位后还没有写入 MPLLCON，这时又没有可以使用的时钟源，所以不会启动。也就是硬件完成后，这个12MHz的晶振是一定要焊上的，才能进行后续的硬件测试工作。

 

二、clock设置的步骤

 

    首先应该读懂下一段：

 

 

 

Power-On Reset (XTIpll)

Figure 7-4 shows the clock behavior during the power-on reset sequence. The crystal oscillator begins oscillation within several milliseconds. When nRESET is released after the stabilization of OSC (XTIpll) clock, the PLL starts to operate according to the default PLL configuration. However, PLL is commonly known to be unstable after power-on reset, so Fin is fed directly to FCLK instead of the Mpll (PLL output) before the software newly configures the PLLCON. Even if the user does not want to change the default value of PLLCON register after reset, the user should write the same value into PLLCON register by software.

 

The PLL restarts the lockup sequence toward the new frequency only after the software configures the PLL with a new frequency. FCLK can be configured as PLL output (Mpll) immediately after lock time.

 

 

 

    这个主要是基于PLL的特点。简单的描述就是，上电复位后，几个ms后晶振起振。当OSC时钟信号稳定之后，nRESET电平拉高（这是硬件自动检测过程）。这个时候，PLL开始按照默认的PLL配置开始工作，但是特殊性就在于PLL在上电复位后开始是不稳定的，所以s3c2410设计为把Fin在上电复位后直接作为Fclk，这是MPLL是不起作用的。如果要想是MPLL起作用，那么方法就是写入MPLLCON寄存器值，然后等待LOCKTIME时间后，新的Fclk开始工作。下面把这些步骤分来来描述，软件步骤部分结合程序进行。

 

    1、上电几个ms后，晶振输出稳定。Fclk=晶振频率。nRESET恢复高电平后，cpu开始执行指令，这完全是硬件动作，不需要软件设置。

 

    2、第一步软件工作： 设置P M S divider control，也就是设置MPLLCON寄存器。

 

    关于PMS，可以看Figure 7-2.寄存器MPLLCON的设置呢，其实有一定的规则，并非你想要的每个Fclk频率都可以得到。官方推荐了一个表PLL VALUE SELECTION TABLE，要按照这个进行。否则的话，就需要自己按照公式推算，但是mizi公司并不保证你的设置是合适的。所以，如果想要工作在200MHz，还是按照vivi的推荐值即可。

 

 

 

@ step1: set P M S divider control

        mov r1, #CLK_CTL_BASE

        ldr r2, =vMPLLCON_200

        str r2, [r1, #oMPLLCON]

 

 

 

    其中，MDIV=0x5c，PDIV=0x04，SDIV=0x00.公式Mpll（Fclk）=（m×Fin）/（p×(2^s)）【m=MDIV+8, p=PDIV+2,s=SDIV】

 

    3、第二步软件工作： 设置CLKDIVN。

 

    这一步是设置分频系数，即Fclk为cpu主频，Hclk由Fclk分频得到，Pclk由Hclk分频得到。假设Hclk是Fclk的二分频，Pclk是 Hclk的二分频，那么分频系数比就是Fclk：Hclk：Pclk=1：2：4.那么Hclk为100MHz，总线时钟周期为10ns。Pclk为 50MHz。

 

 

 

@ step2: change clock divider

        mov r1, #CLK_CTL_BASE

        mov r2, #vCLKDIVN

        str r2, [r1, #oCLKDIVN]

 

 

 

    4、第三步软件工作： CLKDIVN的补充设置

 

 

If HDIVN = 1, the CPU bus mode has to be changed from the fast bus mode to the asynchronous bus mode using following instructions.

MMU_SetAsyncBusMode

        mrc p15,0,r0,c1,c0,0

        orr r0,r0,#R1_nF:OR:R1_iA

        mcr p15,0,r0,c1,c0,0

If HDIVN=1 and the CPU bus mode is the fast bus mode, the CPU will operate by the HCLK. This feature can be used to change the CPU frequency as a half without affecting the HCLK and PCLK.

 

 

 

    看了上段话，只需要翻译出来就可以了。

 

 

 

@ FCLK:HCLK=1:2

.macro MMU_SetAsyncBusMode

        mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0

        orr r0, r0, #(R1_iA | R1_nF)

        mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

.endm

        @ step3: set asynchronous bus mode

        MMU_SetAsyncBusMode

 

 

 

    5、第四步软件工作：等待locktime时间，让新的Fclk生效

 

 

 

@ step4: stay locktime

        mov r1, #CLK_CTL_BASE

        ldr r2, =vLOCKTIME

        str r2, [r1, #oLOCKTIME]

 

 

 

    6、对外设的影响

 

    在这个实验中，主要是有两个需要改变，一个外设是UART，一个外设是SDRAM。

 

    （1）UART，它是接在APB总线上，所以对应的时钟信号为Pclk，现在为50MHz。如果想要设置波特率为115200bps，那么根据公式 UBRDIV0=(int)(PCLK/(bps*16))-1计算，应该为26。如果放到程序中，那么应该注意形式。具体如下：

 

 

 

UBRDIV0 = ((int)(PCLK/16./UART_BAUD_RATE) -1);

 

 

 

    （2）SDRAM，主要的影响因素为刷新频率。前面在SDRAM中没有具体分析，现在可以详细说明。使用了两片HY57V561620CT-H，查看手册其刷新频率为8192 refresh cycles/64ms，所以刷新周期64ms/8192＝7.8125us。看寄存器REFRESH的各个位的设置情况：

 

    ·REFEN[23]：开启自动模式，设为1

    ·TREFMD[22]：设为Auto refresh模式，设为0

    ·Trp[21:20]：看看RAS precharge Time，查看SDRAM手册，发现-H系列此参数至少为20ns，现在Hclk对应的时钟周期为10ns，所以至少应该为2个clock。可以设为00

    ·Tsrc： Semi Row Cycle Time，也就是RAS Cycle Time，至少65ms，所以至少得6.5clock，按照可选值，应该设置为11

    ·Refresh[10:0]：

    公式refresh period = (2^11 - refresh_count +1)/Hclk，由此推导出refresh_count=2^11+1-refresh period*Hclk。带入数值，计算得出1268＝0x04f4，这个数值要用四舍五入，减少误差。

    ·其余的保留值，均设置为0，由此得出该寄存器的值应该为0x008c04f4。

 

  S3C2410 CPU默认的工作主频为12MHz，使用PLL电路可以产生更高的主频供CPU及外围器件使用。S3C2410有两个PLL：MPLL和UPLL，UPLL专用与USB设备。MPLL用于CPU及其他外围器件。通过MPLL会产生三个部分的时钟频率：FCLK、HCLK、PLCK。FCLK用于CPU核，HCLK用于AHB总线的设备(比如SDRAM)，PCLK用于APB总线的设备(比如UART)。从时钟结构图中可以查看到使用不同时钟频率的硬件。

Figure 7-1. Clock Generator Block Diagram

（注：这里要注意从图中看出，Uart使用的是PCLK，后面Uart实验会用到）

下面介绍MPLL的启动流程：

（注：下面内容部分直接摘录自《s3c2410完全开发流程》，Clock部分写了非常好）

S3c2410 datasheet 224页“Figure 7-4. Power-On Reset Sequence”展示了上电后MPLL启动的过程

请跟随FCLK的图像了解启动过程：

1、上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=晶振频率，nRESET信号恢复高电平后，

CPU开始执行指令。

2、我们可以在程序开头启动MPLL，在设置MPLL的几个寄存器后，需要等待一段时间(Lock Time)，MPLL的输出才稳定。在这段时间(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输出正常，CPU工作在新的FCLK下。

设置S3c2410的时钟频率就是设置MPLL的几个寄存器：

1、LOCKTIME：设为0x00ffffff

前面说过，MPLL启动后需要等待一段时间(Lock Time)，使得其输出稳定。位[23:12]用于UPLL，位[11:0]用于MPLL。使用确省值0x00ffffff即可。

2、CLKDIVN：用来设置FCLK:HCLK:PCLK的比例关系，默认为1:1:1

这里值设为0x03，即FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4

CLKDIVN不同的设置及对应的时钟比例关系如下图：

3、MPLLCON：设为(0x5c << 12)|(0x04 << 4)|(0x00)，即0x5c0040

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：

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

其中: m = MDIV + 8, p = PDIV + 2

Fin 即默认输入的时钟频率12MHz。MPLLCON设为0x5c0040，可以计算出FCLK=200MHz，再由CLKDIVN的设置可知：HCLK=100MHz，PCLK=50MHz。

 

 通常我们将如上时钟初始化的过程写成clock_init函数供其他函数调用，代码如下：

void clock_init(void)

{

        rLOCKTIME = 0xFFFFFF; /*init clock*/

/*设置FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4,这样假设处理器主频为200M,则HCLK为50M,PCLK为25M。ARM920T内核使用FCLK, 内存控制器，LCD控制器等使用HCLK，看门狗、串口等使用PCLK*/

        rCLKDIVN  = 0x3;

 

        rMPLLCON = 0x5c0040;  /* 设置时钟频率为202.7M*/

}