ARM时钟系统(S5PV210)

特别说明：为方便以后查阅，本文是由朱友鹏老师的《朱老师物联网大讲堂》学习整理而成，在此特别感谢朱老师！！！

1.6.1.1、什么是时钟？SoC为什么需要时钟？

(1)时钟是同步工作系统的同步节拍。

(2)SoC内部有很多器件，譬如CPU、串口、DRAM控制器、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。

1.6.1.2、时钟一般如何获得

(1)SoC的时钟获得一般有：

* 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。

* 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。

* 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。

(2)S5PV210属于第三种。为什么这么设计？

    第一问：外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。

第二问：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。

1.6.1.3、时钟和系统性能的关系、超频、稳定性

(1)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。

(2)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。

 

1.6.1.4、时钟和外设编程的关联

(1)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，因此我们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。

 

1.6.1.5、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。

 

1.6.2.S5PV210的时钟系统简介

1.6.2.1、时钟域：MSYS、DSYS、PSYS

(1)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。

(2)MSYS: CPU（Cortex-A8内核）、DRAM控制器（DMC0和DMC1）、IRAM&IROM······

(3)DSYS: 都是和视频显示、编解码等有关的模块

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

(5)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，所以有必要把高速的放一起，相对低速的放一起。

1.6.2.2、时钟来源：晶振+时钟发生器+PLL+分频电路

(1)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，譬如串口内部还有进一步的分频器进行再次分频使用）

 

1.6.2.3、PLL：APLL、MPLL、EPLL、VPLL

APLL：Cortex-A8内核 MSYS域

MPLL&EPLL：DSYS PSYS

VPLL：Video视频相关模块

 

1.6.3.S5PV210时钟域详解

1.6.3.1、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DMC0和DMC1使用

PCLK_MSYS： MSYS域的低频时钟

HCLK_IMEM：给iROM和iRAM（合称iMEM）使用

 

1.6.3.2、DSYS域：

HCLK_DSYS：DSYS域的高频时钟

PCLK_DSYS：DSYS域的低频时钟

 

1.6.3.3、PSYS域：

HCLK_PSYS：PSYS域的高频时钟

PCLK_PSYS：PSYS域的低频时钟

SCLK_ONENAND：

   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，譬如串口UART挂在PSYS域下的APB总线上，因此串口的时钟来源是PCLK_PSYS。

我们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。

 

1.6.3.4、各时钟典型值（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：

         从三星的S5PV210_UM_REV1.pdf中查阅手册可以知道：

1.6.4.S5PV210时钟体系框图详解

(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，第二种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（譬如左边进来的时钟是80MHz，分频系统设置为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。

1.6.5.时钟设置的关键性寄存器

1.6.5.1、xPLL_LOCK

xPLL_LOCK寄存器主要控制PLL锁定周期的。因为PLL是把低频时钟倍频到高频时钟，所以不可能当设置好PLL倍频系数时，它就能把低频时钟瞬间倍频到高频时钟，所以，我们需要给PLL一定的锁定周期，等到PLL倍频稳定后在输出时钟。这个寄存器的存在就是这个道理。

1.6.5.2、xPLL_CON/xPLL_CON0/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

1.6.5.3、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。

1.6.5.4、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。

1.6.5.5、CLK_DIVn

各模块的分频器参数配置

1.6.5.6、CLK_GATE_x

类似于CLK_SRC_MASK，对时钟进行开关控制

1.6.5.7、CLK_DIV_STATn

1.6.5.8、CLK_MUX_STATn

这两类状态位寄存器，用来查看DIV和MUX的状态是否已经完成还是在进行中

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。

 

1.6.6.汇编实现时钟设置代码详解1

1.6.6.1、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0xFFFF

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。我们按照默认设置值设置输出为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。

 

1.6.6.2、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。

1.6.6.3、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。

1.6.6.4、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_DSYS = MOUT_DSYS / 4

·······

HCLK_MSYS = ARMCLK / 5

ARMCLK = MOUT_MSYS / 1