JZ2440 裸机驱动 第10章 系统时钟和定时器

本章目标 

    了解S3C2410/S3C2440的时钟体系结构

    掌握通过设置MPLL改变系统时钟的方法

    掌握在不同的频率下设置存储控制器的方法

    掌握PWM定时器的用法

    了解WATCHDOG定时器的用法

10.1 时钟体系及各类时钟部件

10.1.1 S3C2410/S3C2440时钟系统

    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，它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

WATCHDOG、IIS、I2C、PWM定时器、MMC接口、ADC、UART、GPIO、RTC和SPI。

    为了降低电磁干扰、降低板间布线的要求，S3C2410/S3C2440外接的晶振频率通常很低，

本开发板上为12MHz，需要通过时钟控制逻辑的PLL提高系统时钟。

    S3C2410/S3C2440有两个PLL：MPLL和UPLL。UPLL专用于USB设备，MPLL用于设置

FCLK、HCLK、PCLK。它们的设置相似，本书以MPLL为例。

    上电时，PLL没被启动，FCLK即等于外部输入时钟，称为Fin。

    若要提高系统时钟，需要开启PLL。

    PLL设置过程如下所示，请参考图10.1，跟随FCLK的图像了解启动过程。

    （1）上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK = Fin（晶振频率），nRESET信号恢复高电平后，

CPU开始执行命令。

    （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(Lock Time)，

MPLL输出才稳定。在这段时间(Lock Time)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之下。

    FCLK、HCLK和PCLK的比例是可以改变的，设置它们三者的比例，启动MPLL只需要设置3个

寄存器(对于S3C2440的一些时钟比例，还需要额外设置一个寄存器)。

    【1】LOCKTIME寄存器(LOCK TIME COUNT)：用于设置“Lock Time”的长度。

    前面说过，MPLL启动后需要等待一段时间，使得其输出稳定。S3C2410中，位[23:12]用于UPLL，

位[11:0]用于MPLL。S3C2440中，位[31:16]用于UPLL，位[15:0]用于MPLL。一般而言，使用它的

默认值即可，S3C2410中默认值为0x00FF FFFF，S3C2440中默认值为0xFFFF FFFF。

    【2】MPLLCON寄存器(Main PLL Control)：用于设置FCLK与Fin的倍数。

    位[19:12]的值称为MDIV，位[9:4]的值称为PDIV，位[1:0]的值称为SDIV。FCLK与Fin的关系

有如下计算公式：

    ① 对于S3C2410： MPLL(FCLK) = (     m * Fin) / (p * 2^s)

    ② 对于S3C2440： MPLL(FCLK) = (2 * m * Fin) / (p * 2^s)

    其中：m = MDIV + 8，p = PDIV + 2，s = SDIV。

    当设置MPLLCON之后——相当于图10.1中的“首先使用软件设置PLL”，Lock Time就被自动插入。

Lock Time之后，MPLL输出稳定，CPU工作在新的FCLK下。

    【3】CLKDIVN寄存器(CLOCK DIVIDER CONTROL)：用于设置FCLK、HCLK、PCLK三者的比例。

    对于S3C2410、S3C2440，这个寄存器表现稍有不同，请参考表10.1和图10.2.

     对于S3C2440的一些时钟比例，还需要额外的设置一个寄存器CAMDIVN。图10.2中，

HDIVN为CLKDIVN寄存器为位[2:1]，PDIVN为位[0]；HCLK4_HALF、HCLK3_HALF分

别为CAMDIVN寄存器的位[9]、[8]。各种时钟对比对应的寄存器设置如图10.2所示。

对于S3C2410，HDIVN是CLKDIVN寄存器的位[1]；

     对于S3C2440，HDIVN是CLKDIVN寄存器的位[2:1]，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, , r0, c1, c0,
orr r0, r0, #R1_nF:OR:RL_iA
mcr p15, , r0, c1, c0, 

    其中的“R1_nF:OR:R1_iA”等于0xC000 0000。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。

10.1.2 PWM定时器

    S3C2410/S3C2440的定时器部件完全一样，共有5个16位定时器。其中定时器0、1、2、3

有PWM功能；定时器4没有输出引脚。

    定时器部件的时钟源为PCLK，首先通过两个8位的预分频器降低频率：定时器0、1共用第

一个预分频器，定时器2、3、4共用第二个预分频器。预分频器的输出将进入第二部分分频器，

它们输出5种频率的时钟：2分频、4分频、8分频、16分频或者外部时钟TCLK0/TCLK1。每个

定时器的工作时钟可以从这5种频率中选择。

    这两个预分频都可以通过TCFG0寄存器来设置，每个定时器工作在哪种频率下也可以通过

TCFG1寄存器来选择。如图10.3所示，形象地说明定时器的结构。

 

                                            图10.3 定时器结构图

     上面只是确定了定时器的工作频率，至于定时器如何工作还得了解其内部结构，如图

10.4所示。

     

    定时器内部控制逻辑的工作流程如下：

    （1）程序初始，设定TCMPBn、TCNTBn这两个寄存器，它们表示定时器n的比较值、

初始计数值。

    （2）随之设置TCON寄存器启动定时器n，这时，TCMPBn、TCNTBn的值将被装入其

内部寄存器TCMPn、TCNTn中。在定时器n的工作频率下，TCNTn开始减1计数，其值可

以通过读取TCNTOn寄存器得知。 

    （3）当TCNTn的值等于TCMPn的值时，定时器n的输出管脚TOUTn反转；TCNTn继续

减1计数。

    （4）当TCNTn的值达到0时，其输出管脚TOUTn再次反转，并触发定时器n的中断(如果

 

中断使能了的话)。

    （5）当TCNTn的值达到0时，如果TCON寄存器中将定时器n设为“自动加载”，则TCMPB0

和TCNTB0寄存器的值将被自动装入TCMP0和TCNT0寄存器中，下一个计数流程开始。

    定时器n的输出管脚TOUTn初始状态为高电平，以后在TCNTn的值等于TCMPn的值、

TCNTn的值时反转。也可以通过TCON寄存器设置其初始电平，这样TOUTn的输出就完全

反相了。通过设置TCMPBn、TCNTBn的值可以设置管脚TOUTn输出信号的占空比，这就

是所谓的PWM，所以这些定时器又被称为PWM定时器。

    下面讲解定时器时寄存器的使用方法。

    （1）TCFG0寄存器(TIMER CONFIGURATION)

    位[7:0]、位[15:8]分别被用于控制预分频器0、1，它们的值为0~255。经过预分频器出来

的时钟频率为：PCLK/{prescaler value + 1}。

    （2）TCFG1寄存器

    经过预分频器得到的时钟将被2、4、8、16分频，除了这4种频率外，额外的，定时器0、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。

    通过TCFG1寄存器来设置这5个定时器，分别工作于这5个频率中哪一个下，如表10.2所示。

    

    这样，定时器n的工作频率或者外接的TCLK0或TCLK1可以通过这个公式计算：

        定时器工作频率 = PCLK / {prescaler value +1} / {divider value}

        {prescaler value} = 0~255

        {divider value}    = 2、4、8、16

    （3）TCNTBn/TCMPBn寄存器(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值，TCMPBn

中保存比较值。它们的值在启动定时器时，被传到定时器内部寄存器TCNTn、TCMPn中。

    没有TCMPB4，因为定时器4没有输出管脚。

    （4）TCNTOn寄存器(COUNT OBSERVATION)

    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。

    （5）TCON寄存器(TIMER CONTROL)

    它有以下4个作用：

    ① 第一次启动定时器时，手动将TCNTBn/TCMPBn寄存器中的数据装入内部寄存器

TCNTn、TCMPn中。

    ② 启动、停止定时器。

    ③决定在定时器计数到达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 决定定时器的管脚TOUTn的输出电平是否反转、

    TCON寄存器位[3:0]、位[11:8]、位[15:12]、位[19:16]、位[22:20]分别用于定时器0~4。

除了定时器因为没有输出引脚在没有“输出反转”位外，其他位的功能相似。表10.3以定时器

0为例说明这些位的作用。

    

     在第一次使用定时器时，需要设置“手动更新”位为1，以使TCNTBn/TCMPBn寄存器的

值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。下一次如果还要设置这一位，需要先将它清0。

    定时器还有其他功能，比如DMA、Dead zone等，需要了解的读者清参考数据手册。

寄存器中涉及它们的部分这里就省略了。

10.1.3 WATCHDOG定时器

    WATCHDOG定时器可以像一般16位定时器一样用于产生周期性中断，也可以用于发

出复位信号以重启失常的系统。它与PWM定时器的结构类似，如图10.5所示。

     同样，WATCHDOG定时器的8位分频器将PCLK分频后，被再次分频得到4种频率：

16、32、64、128分频，WATCHDOG定时器可以选择工作在哪种频率之下。WTCNT

寄存器按照其工作频率减1计数，当达到0时，可以产生中断信号，可以输出复位信号。

在第一次使用WATCHDOG定时器时，需要向WTCNT寄存器中写入初始计数值，以后

在计数值达到0时，自动从WATDAT寄存器中寄存器中装入，重新开始下一个计数周期。

    使用WATCHDOG定时器的“WATCHDOG功能”时，在正常的程序中，必须不断重新

设置WTCNT寄存器使得它不为0，这样可以保证系统不被重启，这称为喂狗。

    WATCHDOG定时器所涉及的寄存器如下：

    （1）WTCON寄存器(WATCHDOG TIMER CONTROL)

    用于设置预分频系数，选择工作频率，决定是否使用中断、是否启用WATDOG功能(即

是否输出复位信号)，各位的作用如表10.4所示。

    

     与PWM定时器相似，WATDOG定时器的工作频率通过这个公式计算：

    WATDOG定时器工作频率 = PCLK / {prescaler value + 1} / {divider value}

{prescaler value} = 0~255；{divider value} = 16、32、64、128

    （2）WTDAT寄存器(WATCHDOG TIMER DATA)。

    用于决定WATCHDOG定时器的超时周期，在定时器启动后，当计数达到0时，WTDAT

寄存器的值会自动传入WTCNT寄存器。不过，第一次启动WATDOG定时器时，WTDAT

寄存器的值会自动传入WTCNT寄存器。

    （3）WTCNT寄存器(WATCHDOG TIMER COUNT)。

    在启动WATDOG定时器前，必须往这个寄存器写入初始值。启动定时器后，它减1计数，

当计数值到达0时：

    如果中断被使能的话发出中断；

    如果WATCHDOG功能被使能的话，发出复位信号，装载WTDAT寄存器的值并重新计数。

10.2 MPLL和定时器操作实例

10.2.1 程序设计

    本实例讲解MPLL、定时器的使用。首先启动MPLL提高系统时钟，初始化存储控制器使

SDRAM工作在新的HCLK下，然后将定时器0设为0.5s产生一次中断，在中断程序中改变

LED的状态。

10.2.2 代码详解

    源码在/work/hardware/timer目录下。

    本实验的重点在4点：

    ① 设置/启动 MPLL;

    ② 根据HCLK设置存储控制器；

    ③ 初始化定时器0；

    ④ 初始化定时器中断。

    相关函数在init.c中。

1.设置/启动 MPLL

    clock_init函数用于设置MPLL，本开发板的输入时钟频率Fin为12MHz，将FCLK、HCLK、

PCLK分别设为200MHz、100MHz和50MHz，代码如下：

 行号
 23行 #define s3c2410_MPLL_200MHz    ((0x5c << 12) | (0x04 << 4) | (0x00))    /*MDIV = 0x5c, PDIV = 0x04, SDIV = 0*/
 24行 #define s3c2440_MPLL_200MHz    ((0x5c << 12) | (0x01 << 4) | (0x02))
 25行 /*
 26行 *对于MPLLCON寄存器，[19:12]为MDIV、[1:0]为SDIV
 27行 *有如下公式：
 28行 *    s3c2410:MPLL(FCLK) = (m * Fin)/(p * 2^s)
 29行 *    s3c2440:MPLL(FCLK) = (2*m*Fin)/(p * 2^s)
 30行 *    其中：m = MDIV + 8，p = PDIV +2, s = SDIV
 31行 *对于本开发板，Fin = 12MHz
 32行 *设置CLKDIVN，令分频比为：FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4
 33行 *FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz
 34行 */
 35行 void clock_init(void)
 36行 {
 37行     //LOCKTIME = 0x00ff ffff    //使用默认值即可
 38行     CLKDIVN = 0x03;            //FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4，HDIVN = 1, PDIVN = 1
 39行
 40行     /*如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode”*/
 41行 __asm__(
 42行     "mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"    //读出控制寄存器
 43行     "orr r1, r1, #0xc0000000\n"      //设置为“asynchronous bus mode”
 44行     "mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"    //写入控制寄存器
 45行 )
 46行
 47行     /*判断是s3c2410还是s3c2440*/
 48行     if((GSTATUS1 == 0x32410000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
 49行     {
 50行         MPLLCON = S3C2410_MPLL_200MHz;    /*现在，FCLK = 200MHz，HCLK = 100MHz，PCLK = 50MHz*/
 51行     }
 52行     else
 53行     {
 54行         MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHz;
 55行     }
 56行 }
 57行 

init.c->clock_init.c()

    如果处理器是S3C2410，使用第50行设置MPLL寄存器，令MDIV = 0x5c，PDIV = 0x04, 

SDIV = 0，所以：

    MPLL（FCLK） = (m * Fin)/(p * ^s) = (0x5c + ) * 12MHz/((0x04 + )*^) = 200MHz
    HCLK = FCLK/ = 100MHz
    PCLK = FCLK/ = 50MHz

    如果处理器是S3C2440，使用第54行设置MPLL寄存器，使用第29行的公式可以计算

出MPLL = 200MHz，所以FCLK、HCLK、PCLK分别为200MHz、100MHz和50MHz。 

2.设置存储控制器

memsetup函数被用来设置存储控制器，代码如下：

 行号
 58行/*
 59行*设置存储控制器以使用SDRAM
 60行*/
 61行void memsetup(void)
 62行{
 63行    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;
 64行
 65行    /*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
 66行    *写在数组中，是因为要生成位置无关代码，使得这个函数可以被复制到
 67行    *SDRAM之前就可以在Steppingstone中运行
 68行    */
 69行    /*存储控制器13个寄存器的值*/
 70行    p[] = 0x22011110;    //BWSCON
 71行    P[] = 0x00000700;    //BANKCON0
 72行    p[] = 0x00000700;    //BANKCON1
 73行    p[] = 0x00000700;    //BANKCON2
 74行    p[] = 0x00000700;    //BANKCON3
 75行    p[] = 0x00000700;    //BANKCON4
 76行    p[] = 0x00000700;    //BANKCON5
 77行    p[] = 0x00018005;    //BANKCON6
 78行    p[] = 0x00018005;    //BANKCON7
 79行
 80行    /*REFRESH,
 81行    *HCLK = 12MHz ：0x008c 07a3
 82行    *HCLK = 100MHz：0x008c 04f4
 83行    */
 84行    p[]  = 0x008c04f4;
 85行    p[] = 0x000000b1;    //BANKSIZE
 86行    p[] = 0x00000030;    //MRSRB6
 87行    p[] = 0x00000030;    //MRSRB7
 88行}
 89行

init.c->memsetup()

    除REFRESH寄存器外，其他寄存器的值与第6章的实验程序一样。现在HCLK等于

100MHz，REFRESH寄存器的值需要重新计算。参考第6章的公式可以计算：

    R_CNT = 2^11 + 1 - 100MHz * 7.8125uS = 0x04F4，

    所以，REFRESH = 0x008c0000 + R_CNT = 0x008c04f4。

    在连接脚本timer.lds中，全部代码的起始运行地址都被设为0x3000 0000，但是在执行

memsetup函数时，代码还在内部SRAM(steppingston)中，为了能在此处运行这个函数，

它应该是位置无关的。

3.初始化定时器0

    timer0_init函数用于初始化定时器0，根据相关寄存器的格式并参考代码中的注释就可

以理解这个函数，代码如下：

 行号
 124行/*
 125行*Timer input clock Frequency = PCLK / (prescaler value + 1) / (divider value)
 126行*(prescaler value) = 0~255
 127行*(divider value) = 2、4、8、16
 128行*本实验的Timer0的时钟频率 = 100MHz/(99 + 1)/(16) = 62500Hz
 129行*设置Timer0 0.5s触发一次中断
 130行*/
 131行void timer0_init(void)
 132行{
 133行    TCFG0    = ;        //预分频器 0 = 99
 134行    TCFG1    = 0x03;      //选择16分频
 135行    TCNTB0   = ;     //0.5s触发一次中断
 136行    TCON    |= ( << );  //手动更新
 137行    TCON     = 0x09;      //自动加载，清除“手动更新”位，启动定时器0
 138行}
 139行

init.c->timer0_init()

4.定时器中断

    head.S中调用timer0_init函数之后，定时器开始工作；调用init_irq函数使能定时器0

中断、设置CPSR寄存器开启IRQ中断后，每当定时器0计数达到0时，就会触发中断。

init_irq函数很简单，在init.c中，代码如下：

行号
140行/*
141行*定时器0中断使能
142行*/
143行void init_irq(void)
144行{
145行    //定时器0中断使能
146行    INTMSK &= (~( << ));
147行}

init.c->init_irq()

    发生定时器中断时，CPU将调用其中断服务程序Timer0_Handler，它在interrupt.c中：

 行号
 03行void Timer0_Handler(void)
 04行{
 05行    /*
 06行    *每次中断令3个LED改变状态
 07行    */
 08行    if(INTOFFSET == )
 09行    {
 10行        GPFDAT = ~(GPFDAT & (0x7 << ));
 11行    }
 12行    //清除中断
 13行    SRCPND =  << INTOFFSET;
 14行    INTPND = INTPND;
 15行}

interrupt.c

    定时器0的中断使用SRCPND、INTPND寄存器中的位10来表示。中断服务程序

Timer0_Handler先判断是否定时器0的中断，若是则反转3个LED的状态。

10.2.3 实例测试

    在timer目录下执行make命令生成timer.bin可执行程序，烧入NAND Flash中执行，

即可看到3个LED每1s闪烁一次。

    将head.S中对clock_init函数的调用去掉，不启动MPLL；并随之将init.c中的

memsetup函数的REFRESH寄存器改为12MHz对应的0x008c 07a3.重新编译、烧写，

可以看到差不多8sLED闪烁一次。

附：代码：

链接: https://pan.baidu.com/s/1kV24a9L 密码: tfab