SAM4E单片机之旅——9、UART与MCK之MAINCK

为得到更高的带宽，需要使用更高的波特率。UART波特率的计算已经介绍过了，现在就尝试下调整外设的时钟频率。可以有多种方法调整外设时钟（MCK）的频率，这里先介绍先主要时钟（MAINCK）的设置，其中包括外部晶振的使用。

外设的时钟（MCK）可以在慢时钟（SLCK）、主要时钟（MAINCK）和MAINCK经锁相环升频后的时钟PLLACK三者中选择，并可以对选择的时钟进行分频。重置时，MCK使用的时钟为MAINCK，且不分频。

MAINCK可以选择使用一个嵌入的快速RC振荡器，或是一个晶体振荡器产生时钟。快速RC振荡器启动时间较短，但不是太精确；而晶体振荡器则相反。同时，RC振荡器可以选择输出时钟的频率（4/8/12 MHz）。重置时，MAINCK使用RC振荡器，频率为4 MHz。

一、 使用芯片嵌入的快速RC振荡器

在PMC时钟产生器主要振荡器寄存器（CKGR_MOR）中，可以对MAINCK进行一系列的设置。注意，在修改该寄存器的值时，需要同时往其KEY字段写入一个魔数：0x37，否则写入不生效。

1. 使能快速RC振荡器。在设置RC振荡器的频率之前，需要先使能它，并且要等到它运行稳定（即不能同时使能RC振荡器和设置它的频率）：

   /* 使能RC震荡器 */
   PMC->CKGR_MOR = CKGR_MOR_KEY_PASSWD	/* 密码 */
   			| (PMC->CKGR_MOR| CKGR_MOR_MOSCRCEN)
   			;
   /* 等待时钟稳定  */
   while(!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCRCS))
   	;

2. 设置RC振荡器频率为12 Mhz。设置后同样需要等待它运行稳定。

   /* 设置快速RC振荡器频率为12 MHz */
   PMC->CKGR_MOR = CKGR_MOR_KEY_PASSWD
   			|  (PMC->CKGR_MOR & ~CKGR_MOR_MOSCRCF_Msk)
   			|  CKGR_MOR_MOSCRCF_12_MHz
   			;
   /* 等待稳定  */
   while(!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCRCS))
   	;

3. 为MAINCK选择快速RC振荡器。

   /* 切换至RC振荡器 */
   PMC->CKGR_MOR =	CKGR_MOR_KEY_PASSWD
   			| (PMC->CKGR_MOR & ~CKGR_MOR_MOSCSEL)
   			;
   /* 等待切换完成 */
   while (!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCSELS))
   	;

4. 设置UART。此时，若将UART_BRGR中CD字段的值设为13，则理论的波特率值为 12M/(16 * 13) = 57692 Hz，若PC端选择使用57600 Hz的波特率，则误差约为0.16%。

   UART0->UART_BRGR = UART_BRGR_CD(13 );

接下来，将PC端串口的波特率设置为57600 Hz，尝试下通信是否正常。

若在PC端接收到的是乱码，可能就是RC振荡器不够精确引起的。其产生的时钟频率受工作温度和电压等因素的影响，所以需要校准。可以通过PMC振荡器校准寄存器（PMC_OCR）来进行校准，但在这里不做讨论。

二、 使用外部晶振

可以使用一个外部的晶振以提供更为精确的频率。使用的晶振是由开发板携带的，在芯片手册中，对其的介绍为“3~20 MHz晶振”，即表示具体的频率是由开发板的生产厂家决定的。晶振的一个缺点是需要一定的启动时间，而且由于芯片无法了解使用的芯片的具体信息，所以用户必须手动指定这个启动时间。

SAM4E_EK所携带的晶振的频率为12 MHz，启动时间为15625 us。具体可以查阅开发板的电路图：

或者也可以参考头文件“sam4e_ek.h”中相关的定义：

/** Board oscillator settings（晶振频率） */
#define BOARD_FREQ_MAINCK_XTAL (12000000U)
/** board main clock xtal statup time （主要时钟晶振启动时间）*/
#define BOARD_OSC_STARTUP_US 15625

接下来就可以进行具体的设置了。

1. 使用新的头文件。现在需要了解开发板相关的信息，所以需要使用新的头文件：

   //#include <sam.h>
   #include <sam4e_ek.h>

   但是在新的头文件中，修改CKGR_MOR密码的宏没有定义，所以需要自己定义：

   #define CKGR_MOR_KEY_PASSWD CKGR_MOR_KEY(0x37)

2. 禁用PB8和PB9引脚的输出。这一步是可选的。PB8和PB9的系统功能分别是XOUT和XIN，即是使用晶振时要用到的引脚。由于PIO控制器中的配置对引脚的输入没有影响，所以无需配置引脚的复用，只需禁用输出即可。

   /* 禁用PB8和PB9引脚的输出 */
   Pio* xtal_pio = PIOB;
   const uint32_t pio_mask = PIO_PB8 | PIO_PB9;
   xtal_pio->PIO_PER = pio_mask;
   xtal_pio->PIO_ODR = pio_mask;

3. 计算晶振启动时间参数。需要制定一个16位的值（MOSCXTST）来表明晶振启动的时间，具体计算方法为：启动时间 = MOSCXTST * 8 * SLCK周期。

   uint32_t slowck_freq = CHIP_FREQ_SLCK_RC;
   volatile uint32_t xt_start =
   	(BOARD_OSC_STARTUP_US * slowck_freq / 8 / 1000000);
   if (xt_start > 0xFF)
   	xt_start = 0xFF;

4. 使能晶振，并等待其运行稳定。使能晶振时，必须同时使用旁路模式。

   PMC->CKGR_MOR = CKGR_MOR_KEY_PASSWD
   		| (PMC->CKGR_MOR & ~CKGR_MOR_MOSCXTBY)
   		| CKGR_MOR_MOSCXTEN
   		| CKGR_MOR_MOSCXTST(xt_start)
   		;
   /* 等待晶振运行稳定 */
   while (!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCXTS))
   	;

5. 让MAINCK切换为晶振时钟源，并等其运行稳定。

   /* 切换至晶振 */
   PMC->CKGR_MOR |= CKGR_MOR_KEY_PASSWD
   		| CKGR_MOR_MOSCSEL ;
   /* 等待切换完成 */
   while (!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCSELS))
   	;

由于MCK的时钟并未改变，均是12 MHz，所以不用修改UART的设置，就可以正常通信了。