S3C2440系统时钟
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系统时钟
MINI2440开发板在没有开启时钟前，整个开发板全靠一个12MHz的晶振提供频率来运行，也就是说CPU，内存，UART等需要用到时钟频率的硬件都工作12MHz下，而S3C2440A可以正常工作在400MHz下，两者速度相差可想而知，就好比牛车和动车。如果CPU工作在12MHz频率下，开发板的使用效率非常低，所有依赖系统时钟工作的硬件，其工作效率也很低，比如，我们电脑里面经常提到的超频，超频就是让CPU工作在更高的频率下，让电脑运算速度更快，虽然频率是越高越好，但是由于硬件特性决定了任何一个设备都不可能无止境的超频，电脑超频时要考虑到CPU或主板发热过大，烧坏的危险，同样开发板的主板上的外设和CPU也有一个频率限度，ARM920T内核的S3C2440的最高正常工作频率如下：
l FCLK：400MHz
l HCLK：100MHz
l PCLK：50MHz
既然如此，那么怎样让CPU工作在400MHz，让牛车速度提高到动车的速度呢？
1 系统工作时钟频率
在对系统时钟进行提速之前，让我们先来了解下S3C2440上的工作时钟频率，FCLK，HCLK，PCLK，其中FCLK主要为ARM920T内核提供工作频率，如图2-44所示：
图2-44 ARM920T内核结构
HCLK主要为S3C2440 AHB总线（Advanced High performance Bus）上挂接硬件提供工作频率，AHB总线主要挂接有内存，NAND，LCD控制器等硬件，如图2-45所示：
图2-45 S3C2440 AHB总线上挂接硬件
PCLK主要为APB总线提供工作频率，由图2-46所示，APB总线主要挂接UART串口，Watchdog等硬件控制器。
图2-46 S3C2440 APB总线挂接硬件
也就是说，对于一些需要时钟工作的硬件，如果切断其时钟源 ，就不会再工作，从而达到降低功耗的目的，这也是便携嵌入式设备里的一个特点。
时钟源：为了减少外界环境对开发板电磁干扰，降低制作成本，通常开发板的外部晶振时钟频率都很低，MINI2440开发板由12MHz的晶振来提供时钟源，要想让CPU运行在更高的频率就要通过时钟控制逻辑单元PLL（锁相环）来提高主频。
S3C2440里有两个PLL：MPLL和UPLL，MPLL用来产生FCLK，HCLK，PCLK的高频工作时钟，UPLL用来为USB提供工作频率。
图2-47系统时钟初始化时序
开发板上电后，晶振OSC开始提供晶振时钟，由于系统刚刚上电，电压信号等都还不稳定，这时复位信号（nRESET）拉低，这时MPLL虽然默认启动，但是如果不向MPLLCON中写入值，那么外部晶振则直接作为系统时钟FCLK，过几毫秒后，复位信号上拉，CPU开始取指运行，这时可以通过代码设置启动MPLL，MPLL启动需要一定锁定时间（LockTime），这是因为MPLL输出频率还没有稳定，在这期间FCLK都停止输出，CPU停止工作，过了LockTime后时钟稳定输出，CPU工作在新设置的频率下，这时可以通过设置FCLK，HCLK和PCLK三者的频率比例来产生不同总线上需要的不同频率，下面详细介绍开启MPLL的过程：
l 设置LockTime变频锁定时间
l 设置FCLK与晶振输入频率（Fin）的倍数
l 设置FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例
LockTime变频锁定时间由LOCKTIME寄存器（见下表）来设置，由于变频后开发板所有依赖时钟工作的硬件都需要一小段调整时间，该时间计数通过设置LOCKTIME寄存器[31:16]来设置UPLL（USB时钟锁相环）调整时间，通过设置LOCKTIME寄存器 [15:0]设置MPLL调整时间，这两个调整时间数值一般用其默认值即可。
表2-8变频锁定时间寄存器(LOCKTIME)
| 寄存器名 |
地址 |
是否读写 |
描述 |
复位默认值 |
| LOCKTIME |
0x4C000000 |
R/W |
变频锁定时间寄存器 |
0xFFFFFFFF |
| LOCKTIME |
位 |
描述 |
初始值 |
| U_TIME |
[31:16] |
UPLL对UCLK的锁定时间值 (U_TIME:300us) |
0xFFFF |
| M_TIME |
[15:0] |
MPLL对于FCLK，HCLK，PCLK的锁定时间值(M_TIME:300us) |
0xFFFF |
FCLK与Fin的倍数通过MPLLCON寄存器设置，三者之前有以下关系：
MPLL(FCLK) = (2*m*Fin)/(p*2^s)
其中：m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV
当设置完MPLL之后，就会自动进入LockTime变频锁定期间，LockTime之后，MPLL输出稳定时钟频率。
表2-9 MPLL配置寄存器(MPLLCON)
| 寄存器名 |
地址 |
是否读写 |
描述 |
复位默认值 |
| MPLLCON |
0x4C000004 |
R/W |
MPLL配置寄存器 |
0x00096030 |
| MPLLCON |
位 |
描述 |
初始值 |
| MDIV |
[19:12] |
主分频器控制位 |
0x96 |
| PDIV |
[9:4] |
预分频器控制位 |
0x03 |
| SDIV |
[1:0] |
后分频器控制位 |
0x0 |
通过上述算法比较难以找到合适的PLL值，下表给出了官方推荐的一些MPLL参考设置：
表2-10 官方推荐MPLL
FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例通过CLKDIVN寄存器进行设置，S3C2440时钟设置时，还要额外设置CAMDIVN寄存器，如下表，HCLK4_HALF，HCLK3_HALF分别与CAMDIVN[9:8]对应，下表列出了各种时钟比例：
表2-11 FCLK HCLK PCLK设置比例
如果HDIV设置为非0，CPU的总线模式要进行改变，默认情况下FCLK = HCLK，CPU工作在fast bus mode快速总线模式下，HDIV设置为非0后， FCLK与HCLK不再相等，要将CPU改为asynchronous bus mod异步总线模式，可以通过下面的嵌入汇编代码实现：
__asm{
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 读取CP15 C1寄存器 */
orr r1, r1, #0xc0000000 /* 设置CPU总线模式 */
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 写回CP15 C1寄存器 */
}
关于mrc与mcr指令，请查看MMU与内存保护的实现章节。
表2-12时钟分频器控制寄存器（CLKDIVN）
| 寄存器名 |
地址 |
是否读写 |
描述 |
复位默认值 |
| CLKDIVN |
0x4C000014 |
R/W |
时钟分频器控制寄存器 |
0x00000000 |
| CLKDIVN |
位 |
描述 |
初始值 |
| DIV_UPLL |
[3] |
UCLK选择寄存器（UCLK必须对USB提供48MHz） 0:UCLK=UPLL clock 1:UCLK=UPLL clock/2 |
0 |
| HDIVN |
[2:1] |
00:HCLK = FCLK/1 01:HCLK = FCLK/2 10:HCLK = FCLK/4，当CAMIVN[9]=0 HCLK = FCLK/8，当CAMIVN[9]=1 11: HCLK = FCLK/3，当CAMIVN[8]=0 HCLK = FCLK/6，当CAMIVN[8]=1 |
0 |
| PDIVN |
[0] |
0:PCLK是和HCLK/1相同时钟 1：PCLK是和HCLK/2相同时钟 |
0 |
表2-13摄像头时钟分频控制寄存器（CAMDIVN）
| 寄存器名 |
地址 |
是否读写 |
描述 |
复位默认值 |
| CAMDIVN |
0x4C000018 |
R/W |
摄像头时钟分频控制寄存器 |
0x00000000 |
| CAMDIVN |
位 |
描述 |
初始值 |
| … |
… |
… |
… |
| HCLK4_HALF |
[9] |
HDIVN分频因子选择位（当CLKIVN[2:1]位为10b时有效） 0: HCLK=FCLK/4 1: HCLK=FCLK/8 |
0 |
| HCLK3_HALF |
[8] |
HDIVN分频因子选择位（当CLKIVN[2:1]位为11b时有效） 0: HCLK=FCLK/3 1: HCLK=FCLK/6 |
0 |
| … |
… |
… |
… |
2 时钟驱动实验
系统时钟驱动可以分别用ARM汇编和C语言两个版本实现。
ARM汇编版本：
; 以下为时钟相关寄存器地址
LOCKTIME EQU 0x4c000000
MPLLCON EQU 0x4c000004
CLKDIVN EQU 0x4c000014
CAMDIVN EQU 0x4c000018
clock_init ; 时钟初始化代码
; 设置变频锁定时间
ldr r0, =LOCKTIME
ldr r1, =0x00ffffff
str r1, [r0]
; 设置分频比FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8
; 由于CAMDIVN[9]位初始值为0，寄存器CAMDIVN未使用，这儿不用再设置其值
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #0x05
str r1, [r0]
; 修改CPU总线模式
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
orr r1, r1, #0xc0000000
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
ldr r0, =MPLLCON
ldr r1, =0x5c011 ; MPLL = 400MHz
str r1, [r0]
mov pc, lr ; 函数调用返回
该汇编代码入口处先设置了变频锁定时间为0x00ffffff，然后设置FCLK:HCLK:PCLK的分频比，由于系统时钟已经改变，需要修改CPU总线模式，最后设置系统时钟工作频率。
C语言版本：
/* 通过MPLL计算公式可以算出：MDIV=92,PDIV=1,SDIV=0时，MPLL=400MHz
#define MPLL_400MHz （(92 << 12)|(1 << 4)|(1 << 0)）
void clock_init(void){
/* 设置变频锁定时间 */
LOCKTIME = 0x00ffffff;
/* 设置分频比FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8，CAMDIVN初始值为0，不用再对其设置 */
CLKDIVN = 0x05;
/* 修改CPU总线模式 */
__asm{
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
orr r1, r1, #0xc0000000
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
}
MPLLCON = MPLL_400MHz;
}
C语言版本与汇编版本一样，只是由于修改CPU总线模式时要使用mrc指令，因此只能使用C语言嵌入汇编方式来实现。
系统时钟驱动实验：
;
; 系统时钟初始化实验
;
WTCON EQU 0x53000000 ; 看门狗控制寄存器
WTDAT EQU 0x53000004 ; 看门狗数据寄存器
LOCKTIME EQU 0x4c000000 ; 变频锁定时间寄存器
MPLLCON EQU 0x4c000004 ; MPLL寄存器
CLKDIVN EQU 0x4c000014 ; 分频比寄存器
GPBCON EQU 0x56000010 ; LED控制寄存器
GPBDAT EQU 0x56000014 ; LED数据寄存器
GPBUP EQU 0x56000018 ; 上拉电阻设置寄存器
DELAYVAL EQU 0x8fff ; 延时数值
AREA CLOCK, CODE, READONLY
ENTRY
start
ldr r0, = 0x53000000 ; 看门狗关闭代码
mov r1, #0
str r1, [r0]
bl clock_init ; 调用时钟初始化函数
bl led_on ; 调用点亮Led函数
clock_init ; 时钟初始化代码
; 设置锁频时间
ldr r0, =LOCKTIME ; 取得LOCKTIME寄存器地址
ldr r1, =0x00ffffff ; LOCKTIME寄存器设置数据
str r1, [r0] ; 将LOCKTIME设置数据写入LOCKTIME寄存器
; 设置分频数
ldr r0, =CLKDIVN ; 取得CLKDIVN寄存器地址
mov r1, #0x05 ; CLKDIVN寄存器设置数据
str r1, [r0] ; 将CLKDIVN设置数据写入CLKDIVN寄存器
; 修改CPU总线模式
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
orr r1, r1, #0xc0000000
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
ldr r0, =MPLLCON
ldr r1, =0x5c011 ; MPLL is 400MHz
str r1, [r0]
mov pc, lr
led_on ; 亮点Led函数
; Led初始化开始
ldr r0,=GPBCON ; 将LED控制寄存器地址放入r0
ldr r1,[r0] ; 将控制寄存器里的值读出放入r1
bic r1,r1,#0x3fc00 ; 将r1里的值（控制寄存器里的值）
; bit[10]~bit[17]清位，其它位不变
orr r1,r1,#0x15400 ; 设置控制寄存器
str r1,[r0] ; 将r1里的值写入控制寄存器
; 禁止GPF4－GPF7端口的上拉电阻
ldr r0,=GPBUP
ldr r1,[r0]
orr r1,r1,#0x1e0
str r1,[r0]
; Led初始化结束
led_loop ; 循环点亮Led
ldr r2,=GPBDAT ; 将LED数据寄存器的地址放入r2
ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3
bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4
orr r3,r3,#0x1c0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led1）
str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2
ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数
bl delay ; 调用延迟子程序
ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3
bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4
orr r3,r3,#0x1a0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led2）
str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2
ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数
bl delay ; 调用延迟子程序
ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3
bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4
orr r3,r3,#0x160 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led3）
str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2
ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数
bl delay ; 调用延迟子程序
ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3
bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4
orr r3,r3,#0xe0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led4）
str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2
ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数
bl delay ; 调用延迟子程序
b led_loop
delay
sub r0,r0,#1 ; r0=r0-1
cmp r0,#0x0 ; 将r0的值与0相比较
bne delay ; 比较的结果不为0，继续调用delay
mov pc,lr ; 返回
END ; 程序结束符
该实验首先关闭了看门狗定时器，然后修改系统时钟，将默认系统工作频率12MHz提高到400MHz，由于CPU工作在较高频率下，其执行速度明显比未启动系统时钟时高的多，可以通过注释掉系统时钟初始化代码跳转指令 bl clock_init，对比LED的跑马灯效果可以证明。
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