ZYNQ 时钟子系统

目录

1、System Clock Diagram

2、CPU Clock

3、DDR Clock

4、SDIO/SMC/SPI/QSPI/UART Clock

5、USB/Etherent/CAN Clock

6、GPIO/I2C Clock

7、PL Clock

7、Clock Control Registers

---

 

在介绍完《ZYNQ 启动分析》和《ZYNQ 复位子系统》后，我认为需要对 ZYNQ 的时钟树进行了解，ZYNQ 时钟的来源，以及 PLLs，Clock Gating，等，这样一方面能够直观的知道并控制 CPU 时钟频率，对 Power 控制能够起到指导作用，同时能够更好的对系统进行认识并优化，而且在对外设编程的时候，时钟分频也一定需要配置，所以需要了解整个时钟；（先别急着写代码，系统每个模块跑多少 HZ 都不清除，这合适么，哈哈....）

 

1、System Clock Diagram

时钟树框架如下所示：

A、看到最左边外部晶振输入 PS_CLK，直接作用到 3 个内部 PLLs：ARM PLL、I/O PLL、DDR PLL；

B、左下根据锁存到的 boot strap pin 来判断，在启动过程是否需要 Bypass PLL（注意：这里是否 Bypass 只有 1 bit，也就是说，启动阶段的 Bypass，要 Bypass，就会同时 Bypass 这 3 个 PLLs，要么都启用。但是在启动完成后，通过配置 ARM_PLL_CTRL、DDR_PLL_CTRL、IO_PLL_CTRL 寄存器，可以单独控制 Bypass 3 个 PLL 中的哪一个或哪几个，）；

C、时钟经过 PLL 后，直到 PLL Lock 信号后，输出到后级的 MUX 选择器，上面这个 MUX 选择器选择哪一路时钟作为系统 CPU 的时钟域，下面这个 MUX 选择哪个 PLL 出来的时钟作用到后级外设部分；

D、每一路时钟都接 6-bit 可编程的分频器，按照具体的需要进行时钟分频，分别直接供给 CPU Clock Domain，DDR Clock Domain，Peropherals Clock Domain 和 PL 端

E、当然，每一路都有 Clock Gating，门控时钟，来按照需要进行时钟的开启或者关闭的控制，以按需配置达到功耗的最佳；

系统级的时钟相互框架如下所示：

可以看到细分了 CPU Clock domain，DDR Clock，FPGA

 

2、CPU Clock

ZYNQ 中 CPU Clock 信号确定如下所示，CPU 时钟域中，根据使用地方不同，存在 4 个时钟：

CPU_1x

CPU_2x

CPU_3x2x

CPU_6x4x

注意，这几路时钟的频率不同，但是还是属于同一个时钟域，也就是同步的；

现在我们要来解释一下 CPU_1x、CPU_2x、CPU_3x2x、以及 CPU_6x4x 的含义；

CPU 时钟域提供了两种可选的时钟模式：

6：2：1

4：2：1

这是什么意思呢？上一个图就知道了：

看到了吧：

在 6：2：1 模式下如果 CPU_1x 为 133MHz，那么 CPU_2x 为它的 2 倍，即 266MHz，CPU_3x2x 为 133MHz 的 3 倍，即 399MHz（≈400MHz），CPU_6x4x 是 133MHz 的 6 倍，即 798MHz（≈800MHz）

在 4：2：1 模式下如果 CPU_1x 为 150MHz，那么 CPU_2x 为它的 2 倍，即 300MHz，CPU_3x2x 为 150MHz 的 2 倍，即 300MHz，CPU_6x4x 是 133MHz 的 4 倍，即 600 MHz

而且每一路的时钟作用域也写清楚了，最高频率时钟 CPU_6x4x 作用到 CPU 的主频，SCU 单元（Cache 一致性）等；CPU_3x2x 时钟用于 APU 的 Timers；CPU_2x 用于外设，中央互联单元时钟等；CPU_1x 用于外设 AHB 和 APB 接口总线；

现在回到 CPU Clock 的第一个图：

1、最左边的 3 个 PLLs 经过两个 MUX 选择器，输出到后级，这个选择器的输出由系统控制寄存器（System Level Control Registers 即 slcr 寄存器组）的 ARM_CLK_CTRL 寄存器的 bit 4 和 bit 5 决定（slcr.ARM_CLK_CTRL[SRCSEL]）；

2、PLL 后的时钟进入 6-bit 的分频器，即 ARM_CLK_CTRL 的 bit[13:8] 来确定时钟分频（slcr.ARM_CLK_CTRL[DIVSOR]）；

3、分频器的输出作用到 Clock Ratio Generator 模块，这个模块的输入最上面有个 CLK_621_TRUE[0]，CLK_621_TRUE[0] 如果配置为 0，那么使用的是 4：2：1 的模式，如果为 1，那么是 6：2：1

4、Clock Ratio Generator 模块的 4 路输出分别接了 4 个与门，用来做 Clock Gate，也就是门控时钟，可以通过 ARM_CLK_CTRL 的 bit  [24]，bit  [25]，bit  [26]，bit  [27] 分别控制是否使能对应的时钟输出；

这里官方给出了一个注意：

为了改善 CPU/DDR 的高频时钟的质量，在 slcr.ARM_CLK_CTRL[DIVSOR] 分频系数最好使用偶数；

所有的 CPU Clock domain 的时钟，都是同步的；

AMBA Bus 的时钟来源如下所示，都是 CPU 域的，也就是 CPU 通过 AMBA Bus 访问外设的寄存器的时钟，如果要使用该外设的话，需要开启对应的 AMBA Bus 的时钟；可以看到，他们可以单独控制开启或者关闭；

系统范围的时钟配置示例如下，两个例子，一个是外部输入 33.33MHz 另一个是外部输入 50MHz，使用的 6:2:1的配比模式：

这张表中，假定了各个 PLL 的倍频系数：

第一个里面假定倍频系数为 ARM_PLL=40、DDR PLL=32、I/O PLL=30；

第一个里面假定倍频系数为 ARM_PLL=20、DDR PLL=16、I/O PLL=20；

其实呢，这些个 PLL 的倍频系数是可以配置的，在 slcr.ARM_PLL_CTRL[PLL_FDIV]、slcr.DDR_PLL_CTRL[PLL_FDIV]、slcr.IO_PLL_CTRL[PLL_FDIV] 寄存器进行配置；

 

3、DDR Clock

DDR 的时钟如下所示，由 DDR 的 PLL 倍频而来，经过两个可配置的 6-bits 寄存器来进行分频，在输出到 Clock Gate 门控来控制 DDR_2x 和 DDR_3x 是否输出；

 

4、SDIO/SMC/SPI/QSPI/UART Clock

典型的 SDIO/SMC/SPI/QSPI/UART 外设部分的时钟如下所示：

上面的一个图适用 SDIO/SMC/SPI/QSPI/UART 这几个外设，不过是不同的外设，配置的 SRCSEL 寄存器、分频寄存器不一样；

 

5、USB/Etherent/CAN Clock

他们都有自己的时钟电路，详细参考 UG585

 

6、GPIO/I2C Clock

输入时钟域为 CPU_x1 更多的细节参考 UG585 中对应模块的设计图；

 

7、PL Clock

PL 端可以接受来自 PS 端的 4 路时钟输入，这 4 路时钟相互异步，下面是它的配置图；

每一路时钟通过选择时钟源和分频系数，最后得到独立的 4 路时钟：

FCLK 0

FCLK 1

FCLK 2

FCLK 3

 

 

7、Clock Control Registers