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ARM裸机-14(S5PV210的时钟系统)

1、时钟系统

1.1、什么是时钟

        时钟是同步工作系统的同步节拍

1.2、SoC为什么需要时钟

        Soc内部有很多器件,例如CPU、串口、DRAM控制制器、GPIO等内部外设,这些东西要彼此协同工作,需要一个同步的时钟系统来指挥。这个就是我们SoC的时钟系统。

1.3、时钟一般如何获得
        (1)外部直接输入时钟信号,SoC有个引脚用来输入外部时钟信号,用的很少。

        (2)外部晶振+内部时钟发生器产生时钟,大部分低频单片机都是这么工作的。

        (3)外部晶振+内部时钟发生器+内部PLL产生高频时钟+内部分频器分频得到各种频率的时钟,210属于这种。

1.3.1、为什么不用外部高频晶振产生高频信号直接给CPU

        主要是因为芯片外部电路不适宜使用高频率,因为传导辐射比较难控制;高频率的晶振太贵了。

1.3.2、为什么要内部先高频然后再分频

        主要因为SoC内部有很多部件都需要时钟,而且各自需要的时钟频率不同,没法统一供应。因此设计思路是PLL后先得到一个最高的频率 (1GHZ、1.2GHz),然后各外设都有自己的分频器再来分频得到自己想要的频率

1.4、时钟和系统性能的关系、超频、稳定性

        一般SoC时钟频率都是可以人为编程控制的,频率的高低对系统性能有很大影响。

       S5PV210建议工作频率800MHZ~1.2GHZ, 一般我们都设置到1GHz主频。如果你设置到1.2GHZ就叫超频。超频的时候系统性能会提升,但是发热也会增大,因此会影响系统稳定性。

1.5、时钟和外设编程的关联

        每个外设工作都需要一定频率的时钟,这些时钟都是由时钟系统提供的。时钟系统可以编程控制工作模式,因为程序员可以为每个外设指定时钟来源、时钟分频系统,从而制定这个外设的工作时钟。

1.6、时钟和功耗控制的关系

        (1)SoC中各种设备工作时,时钟频率越高其功耗越大,发热越大,越容易不稳定,需要外部的散热条件越苛刻。

        (2)SOC内部有很多外设,这些外设不用的时候最好关掉 (不关掉会一定程度浪费电),开关外设不是通过开关而是通过时钟。也就是说我们给某个外设断掉时钟,这个外设就不工作了。

2、S5PV210的时钟系统 

2.1、时钟域:MSYS、DSYS、PSYS

        因为S5PV210的时钟体系比较复杂,内部外设模块太多,因此把整个内部的时钟划分为3大块叫做3个域。、

        (1)MSYS::CPU (Cortex-A8内核)、DRAM控制器 (DMCO和DMC1)、IRAM&IROM......

        (2)DSYS:都是和视频显示、编解码等有关的模块。

        (3) PSYS:和内部的各种外设时钟有关,例如串口、SD接口、I2C、AC97、USB等

2.1.1、为什么内部要分为3个域,怎么划分的

        因为210内部的这些模块彼此工作时钟速率差异太大了,所以有必要把告诉的放在一起,相对低速的放在一起。

2.1.2、MSYS域

        ARMCLK:给cpu内核工作的时钟,也就是所谓的主频。

        HCLK_MSYS:MSYS域的高频时钟,给DMCO和DMC1使用

        PCLK_MSYS:MSYS域的低频时钟

        HCLK_IMEM:给iROM和iRAM (合称iMEM)使用

2.1.3、DSYS域

        HCLK_DSYS:DSYS域的高频时钟

        PCLK_DSYS:DSYS域的低频时钟

2.1.4、PSYS域

        HCLK_PSYS:PSYS域的高频时钟

        PCL_PSYS:PSYS域的低频时钟

        SCLK_ONENAND:

2.1.5、总结

        210内部的各个外设都是接在(内部AMBA总线)总线上面的,AMBA总线有1条高频分支叫AHB,有一条低频分支叫APB。上面的各个域都有各自对应的HCLK_XXX和PCLK_XXX,其中HCLK_XXX就是XXX这个域中AHB总线的工作频率:PCLK_XXX就是XXX这个域中APB总线的工作频率。

        SoC内部的各个外设其实是挂在总线上工作的,也就是说这个外设的时钟来自于他挂在的总线,例如串口UART挂在PSYS域下的APB总线上,因此串口的时钟来源是PCLK_PSYS。

        可以通过记住和分析上面的这些时钟域和总线数值,来确定我们各个外设的具体时钟频率。

2.2、时钟来源:晶振+时钟发生器+PLL+分频电路

        S5PV210外部有4个晶振接口,设计板子硬件时可以根据需要来决定在哪里接晶振。接了晶振之后上电相应的模块就能产生振荡,产生原始时钟。原始时钟再经过一系列的筛选开关进入相应的PLL电路生成倍频后的高频时钟。高频时钟再经过分频到达芯片内部各模块上。 (有些模块,例如串口内部还有进一步的分频器进行再次分频使用)

2.3、PLL:APLL、MPLL、EPLL、VPLL

        APLL: Cortex-A8内核 MSYS域

        MPLL&EPLL:DSYS PSYS

        VPLL:video视频相关模块

2.4、各时钟的典型值(默认值,iROM中设置的值)

        (1)当210刚上电时,默认是外部晶振+内部时钟发生器产生的24MHz频率的时钟直接给ARMCLK的,这时系统的主频就是24MHz,运行非常慢。

        (2)iROM代码执行时第6步中初始化了时钟系统,这时给了系统一个默认推荐运行频率。这个时钟频率是三星推荐的210工作性能和稳定性最佳的频率。

        (3)各时钟的典型值:

                freq(ARMCLK) = 1000 MHz
                freq(HCLK_MSYS) = 200 MHZ
                freq(HCLK_IMEM) = 100MHz
                freq(PCLK_MSYS) = 100MHz
                freq(HCEK_DSYS) = 166 MHz
                freq(PCLK_DSYS) = 83 MHz
                freq(HCLK_PSYS) = 133 MHz
                freq(PCLK_PSYS) = 66MHz
                freq(SCLK_ONENAND) = 133 MHz,166 MHz

2.5、S5PV210时钟体系框图

        (1)时钟体系框图的位置:数据手册P361&P362,Figure3-3

        (2)两张图之间是渐进的关系。第一张图从左到右依次完成了原始时钟生成->PLL倍频得到高频时钟->初次分频得到各总线时钟,第二张图是从各中间时钟 (第一张图中某个步骤生成的时钟)到各外设自己使用的时钟(实际就是个别外设自己再额外分频的设置)。可见,第一张图是理解整个时钟体系的关键,第二张图是进一步分析各外设时钟来源的关键。

        (3)要看懂时钟体系框图,2个符号很重要:一个是MUX开关,另一个是DIV分频器

        (3.1)MUX开关就是个或门,实际对应某个寄存器的某几个bit位的设置,设置值决定了哪条通道通的,分析这个可以知道右边的时钟是从左边哪条路过来的,从而知道右边时钟是多少

        (3.2)DIV分频器,是一个硬件设备,可以对左边的频率进行n分频,分频后的低频时钟输出到右边。分频器在编程时实际对应某个寄存器中的某几个bit位,我们可以通过设置这个寄存器的这些对应bit位来设置分频器的分频系数(例如左边进来的时钟是80MHz,分频系数设置为8,则分频器右边输出的时钟频率为10MHz)。

        (3.3)寄存器中的clock source x就是在设置MUX开关;clock divider control寄存器就是在设置分频器分频系数。

2.6、时钟设置的关键寄存器

2.6.1、xPLL_LOCK

        xPLL_LOCK寄存器主要控制PLL锁定周期的。

2.6.2、xPLL_CON/xPLL_CONO/xPLL_CON1

         PLL_CON寄存器主要用来打开/关闭PLL电路,设置PLL的倍频参数,查看PLL锁定状态等.

2.6.3、CLK_SRCn(n:0~6)

        CLK_SRC寄存器是用来设置时钟来源的,对应时钟框图中的MUX开关。

2.6.4、CLK_SRC_MASKn

        CLK_SRC_MASK决定MUX开关n选1后是否能继续通过。默认的时钟都是打开的,好处是不会因为某个模块的时钟关闭而导致莫名其妙的问题,坏处是功耗控制不精细、功耗高。

2.6.5、CLK_DIVn

        各模块的分频器参数控制。

2.6.6、CLK_GATE_x

        类似于CLK_SRC_MASK,对时钟进行开关控制。

2.6.7、CLK_DIV_STASn

        状态位寄存器,用力啊查看DIV的状态是否已经完成还是在进行中。

2.6.8、CLK_MUX_STATn
        状态位寄存器,用力啊查看MUX的状态是否已经完成还是在进行中。

2.6.7、总结

        其中最重要的寄存器有3类::CON、SRC、DIV。其中CON决定PLL倍频到多少,SRC决定走哪一路,DIV决定分频多少。

3、汇编实现时钟设置代码

3.1、时钟设置的步骤分析

        第1步:先选择不使用PLL。让外部24MHZ原始时钟直接过去,绕过APLL那条路。

        第2步:设置锁定时间。默认值为0X0FFF,保险起见我们设置为0X0FFF。

        第3步:设置分频系统,决定由PLL出来的最高时钟如何分频得到各个分时钟。

        第4步:设置PLL,主要是设置PLL的倍频系统,决定由输入端24MHz的原始频率可以得到多大的输出频率。我们按照默认值设置输出为ARMCLK为1GHz。

        第5步:打开PLL。前面4步已经设置好了所有的开关和分频系数,本步骤打开PLL后PLL开始
工作,锁定频率后输出,然后经过分频得到各个频率。

        总结:以上5步,其实真正涉及到的寄存器只有5个而已。

3.2、CLK_SRC寄存器的设置分析

        CLK_SRC寄存器其实是用来设置MUX开关的。在这里先将该寄存器设置为全0,主要是bit0和bit4设置为0,表示APLL和MPLL暂时都不启用。

3.3、CLK_LOCK寄存器的设置分析

        设置PLL锁定延时的。官方推荐值为0xFFF,我们设置为0xFFFF

3.4、CLK_DIV寄存器的设置分析

0x14131440这个值的含义分析:

        PCLK_PSYS = HCLK_PSYS / 2

        HCLK_PSYS = MOUT_PSYS / 5

        PCLK_DSYS = HCLK_DSYS / 2

        HCLK_MSYS =  ARMCLK / 5

        ARMCLK = MOUT_MSYS /1       

3.5、PLL倍频的相关计算

        (1)、我们设置了APLL和MPLL两个,其他两个没有管。

        (2)、APLL和MPLL设置的关键都是M、P、S三个值,这三个值都来自于官方数据手册的推荐值。

        (3)、M、P、S的设置依赖《4.2.C语言位运算》中讲过的位运算技术。

3.6、结合寄存器、时钟框图、代码三者结合分析S5PV210的时钟系统

        分析记得在图上做标记(把MUX开关选哪个和DIV分频多少都标出来),然后就清楚了。

4、C语言实现设置代码

4.1、C和汇编操作寄存器的不同

        语法写法不同,核心是一样的

4.2、C的优势

        位运算更加简单,C语言还是要简单一些

4.3、用C语言重写时钟初始代码

        见代码

 

        

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