超详细的系统时钟和定时器原理解析

系统时钟：   
    S3C2410/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，也可以直接使用外部提供的时钟源，他们
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
    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IIS、IIC、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之间的连接；APB总线主要用于低宽带的周边外设之间的连接。
    
    S3C2410/S3C2440有两个PLL：MPLL和UPLL。
    MPLL：用于设置FCLK、HCLK、PCLK。
    UPLL：专用于USB设备。
   
    上电时，PLL没有被启动，FCLK等于外部输入的时钟Fin，若要提高系统时钟，需要软件来启用PLL。 
    FCLK的启动过程：
    1、上电几毫秒后，晶振（osc）输出稳定，FCLK=Fin,nReset信号恢复高电平后CPU开始执行指令。
    2、可以在程序开头启动MPLL，设置MPLL的几个寄存器后，需要等待一段时间（称为Lock Time）,MPLL的输出才稳定。在Lock Time
       时间内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。
    
    SOC稳定——>nReset——>cpu在Fin时钟下工作——>启动MPLL——>FCLK停振(CPU停止工作)——>Lock Time时间之后——>CPU工作在新的FCLK下
    
    相关寄存器：
    LOCKTIME：使用默认值即可
    MPLLCON：设置FCLK与Fin的倍数。首先设置LOCKTIME，再设置MPLLCON，设置PLL后，Lock Time就被自动插入计时。
        Lock Time之后，MPLL输出稳定，CPU工作在新的FCLK下。
    CLKDIVN：CLOCK DIVIDER CONTROL，分HDIVN1段、HDIBN段、PDIBN段，用于设置FCLK、HCLK、PCLK三者的比例。
    CAMDIVN：2440需要设置这个，也是用于设置FCLK、HCLK、PCLK三者的比例。分HDIVN段，PIDVN段，HCLK4_HALF、HCLK3_HALF。
    
    如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode "变为”asynchronous bus mode",这可以通过如下指令来完成：
    #MMU_SetAsyncBusMode
    mrc p15,0,r0,c1,c0,0
    orr r0,r0,#R1_nF:OR:R1_iA
    mcr p15,0,r0,c1,c0,0
    其中的“R1_nF:OR:R1_iA"等于0xC0000000。如果HDIVN非0时，而CPU的总线模式仍是”fast bus mode",则CPU的工作频率将自动
    变为HCLK，而不再是FCLK。
    
    系统时钟寄存器配置步骤：
    1、设置Lock Time时间，即设置LOCKTIME寄存器。
    2、分频，配置CLKDIVN、CAMDIVN（对2440）寄存器，设置PLCK、HCLK与FCLK的比例。
    3、HDIVN非0，改变CPU总线模式，从“fast bus mode "变为”asynchronous bus mode"。
    4、设置MPLLCON，启动MPLL设置FCLK频率。（由Fin与MPLLCON计算所得）
  
定时器：  
    有5个16位定时器0、1、2、3、4。其中0123有PWM功能，即他们都有一个输出引脚。
    input clock：PCLK，输入时钟首先通过2个8位预分频器降低频率，定时器0、1共用一个预分频器，定时器3、4共用第二个预分
    频器。预分频的输出将进入第二级分频器。
    
    定时器相关寄存器：
    TCFG0：预分频寄存器，位[7:0]、位[15:8]分别被用于控制预分频器0、1，他们的值为0~255。经过预分频器出来的时钟频率
           为：PCLK/{prescaler vlaue + 1}。
    TCFG1：分频寄存器，把预分频后的时钟再2分频、4分频、8分频或16分频。额外地，定时器0和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。TCFG1每4位对应一个定时器，共使用了20位。
    TCNTBn/TCMPBn:(COUNT BUFFER REGISTER & COMPARE BUFFER REGISTER)。n为0~4，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。他们的值在启动定时器是，被传入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。
    TCNTOn:(COUNT OBSERVATION)（只读，无需设置） n为0~4，定时器n被启动后，内部寄存器TCNTn在其工作时钟下不断减1计数，
           可以通过读取TCNTOn寄存器得知其值。
    TCON：(TIMER CONTROL)。分5组对应5个寄存器，每组4位。（寄存器4没有输出引脚特殊一点，其他类似）
     每组有以下4个作用（寄存器4没有输出引脚特殊一点，其他类似）：
     1、第一次启动定时器的时候需要“手动更新”位置1，将TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。
     2、含启动、停止定时器位。
     3、自动加载位，决定在定时器计数达到0时是否自动将TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。
     4、输出反转位，决定定时器的管脚TOUTn的输出电平是否反转。（定时器4无输出引脚）
     
     
    TCMPBn 的值是用于脉宽调制（PWM）。TCMPBn用于设置占空比（亦即决定 PWM 输出的开启时间（或关闭时间））、
           TCNTBn用于设置脉冲周期。要求TCNTBn>=TCMPBn,当递减计数器的值与定时器控制逻辑中的比较寄存器的值相
           匹配时(即TCNTn=TCMPBn)定时器控制逻辑改变输出电平。当TCNTn减至0时，再次改变输出电平。TCMPBn默认值
           为0。
    当 TCNTn 到达 0 时，如果中断为使能则将发生一个中断请求。（要设置INTMSK寄存器相应位使能定时器中断）
    （还要写一个定时器中断处理函数处理定时器中断）
    
    默认TONTn初始状态为高电平（变相开关关闭（即输出反转位为0：TOUT0不反转））。
    定时时间长度计算方法：由定时器实际工作频率TCLK和TCNTBn计数值寄存器决定
    定时器实际工作频率TCLK=PCLK/预分频/分频 （假设使用PCLK）
    定时时间(或PWM周期)=[TCNTBn的值/TCLK(HZ)](秒)
   
  使用定时器中断点灯例程：
  思路是设置系统时钟FCLK和PCLK，设置定时器，确定定时时间，开启定时器中断，启动定时器，在定时器中断处理函数中点灯。
  timer程序主要的两个文件head.S和init.c源码：

  head.S:

@******************************************************************************
@ 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
    

init.c:

/*
 * 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 S3C2410_MPLL_200MHZ     ((0x5c<<12)|(0x04<<4)|(0x00))
#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 */
    );

    /* 判断是S3C2410还是S3C2440 */
    if ((GSTATUS1 == 0x32410000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
    {
        MPLLCON = S3C2410_MPLL_200MHZ;  /* 现在，FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz */
    }
    else
    {
        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;
    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

/*
 * K1-K4对应GPG11、GPG3、GPF2、GPF3
 */
#define GPG11_eint      (2<<(11*2))     // K1,EINT19
#define GPG3_eint       (2<<(3*2))      // K2,EINT11
#define GPF3_eint       (2<<(3*2))      // K3,EINT3
#define GPF2_eint       (2<<(2*2))      // K4,EINT2
 
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));
}