Mini2440裸机开发之系统时钟配置
首先，我们应该知道一点，Mini2440开发板在没有开启时钟前，整个开发板全靠一个12MHz的外部晶振提供频率来工作运行的，也就是说CPU、内存、UART、ADC等所有需要用到时钟频率的硬件都工作在12MHz下，而S3C2440A可以正常工作在400MHz下，可想而知两者速度相差会有多大了。
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：
- CPU FCLK：400MHz；
- AHB 总线外设的HCLK：100MHz ；
- APB 总线外设的PCLK：50MHz；
那这一节我们就来介绍如何将FCLK时钟的频率提高到400MHZ。S3C2440有关时钟控制的信息位于芯片手册第七章。
一、S3C2440上的工作时钟频率
1.1 时钟信息
S3C2440A 中的时钟控制逻辑可以产生时钟信号包括以下三种：
- CPU 的FCLK：提供给ARM920T的时钟；
- AHB 总线外设的HCLK ：提供给用于ARM920T存储器控制器，中断控制器，LCD 控制器，DMA 和USB 主机模块的AHB总线的时钟；
- APB 总线外设的PCLK：提供给用于外设如WDT，IIS，I2C，PWM 定时器，MMC/SD 接口，ADC，UART，GPIO，RTC 和SPI 的APB 总线的时钟。
S3C2440A 包含两个锁相环（PLL）：一个提供给FCLK、HCLK 和PCLK，另一个专用于 USB 模块（48MHz）。时钟控制逻辑可以不使用PLL 来减慢时钟，并且可以由软件连接或断开各外设模块的时钟， 以降低功耗。
为什么需要不同种类的时钟呢？
由于不同的硬件外设工作时需要的额定频率不同，所以需要产生不同种类的时钟频率。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，就不会再工作了，从而达到低功耗的目的，这也是便携嵌入式设备的一个特点。
1.2 时钟结构
主时钟源来自一个外部晶振（XTIpll）或外部时钟（EXTCLK）。时钟发生包含了一个连接到外部晶振的振荡器（震荡放大器），还含有S3C2440A 所必须的两个用于产生高频率时钟的PLL（锁相环）。
锁相环是实现倍频功能的，说白了就是将12MHz成倍的增加，达到实际所需频率。虽然锁相环有很多指标，咱们完全可以将其理解为一个时钟变换电路，低频晶振输入即可得到处理器所使用的较高频率的时钟。
S3C2440里有两个PLL：
- MPLL：MPLL用来产生FCLK、HCLK、PCLK的高频工作时钟；
- UPLL：UPLL用来为USB提供工作频率；
1.3 时钟源选择
系统上电后，S3C2440处理器会自动锁存OM3和OM2引脚的电平值，这两个引脚用于选择外部时钟输入方式，如下表所示：
|
模式 OM[3:2] |
MPLL状态 |
UPLL状态 |
主时钟源 |
USB 时钟源 |
|
00 |
开启 |
开启 |
晶振 |
晶振 |
|
01 |
开启 |
开启 |
晶振 |
外部时钟 |
|
10 |
开启 |
开启 |
外部时钟 |
晶振 |
|
11 |
开启 |
开启 |
外部时钟 |
外部时钟 |
注意：虽然MPLL 在复位后就开始，MPLL输出并没有作为系统时钟，直到软件写入有效值来设置MPLLCON 寄存器。在设置此值之前，是将外部晶振或外部时钟源提供的时钟直接作为系统时钟。即使用户不想改变MPLLCON 寄存器的默认值，用户也应当写入与之相同的值到MPLLCON 寄存器寄存器中。
你可以从我们的mini2440开发板的电路图看到，开发板上的OM3和OM2均接地，即OM[3:2]=00。所以，时钟源为外部晶振。
开发板外部时钟频率太高容易受到外界环境的干扰，同时为了降低成本，通常开发板的外部晶振时钟频率都很低，Mini2440开发板就用用1个12MHz的晶振来提供时钟源。但是S3C2440处理器内部工作频率较高，这就需要用锁相环(PLL)来实现倍频功能。
1.4 锁相环（PLL）
时钟发生器之中作为一个电路的MPLL，参考输入信号的频率和相位同步出一个输出信号。在这种应用中，其包含了如下图所示的以下基本模块：
- 用于生成与输入直流电压成比例的输出频率的压控振荡器（VCO）；
-
用于将 输入频率（Fin）按p分频的分频器P；
-
用于将VCO输出频率按m 分频并输入到相位频率检测器（PFD）中的分频器M；
-
用于将VCO输出频率按s 分频成为MPLL（输出频率来自MPLL 模块）的分频器S、鉴相器、电荷泵以及 环路滤波器。
输出时钟频率MPLL与输入时钟频率Fin 有如下等式：
$$MPLL=\frac{2\times m \times Fin}{p \times 2^s}$$
$$m=M+8，p=P+2$$
所以对于S3C2440、Fin与FCLK之间的关系为:
$$FCLK = MPLL = \frac{2 \times M \times Fin}{p \times 2^s} $$
1.5 时钟控制逻辑
时钟控制逻辑决定使用的时钟源，即使用PLL 时钟或直接使用外部时钟（XTIpll 或EXTCLK）。当配置了PLL为一个新频率值时，时钟控制逻辑先禁止FCLK，直至使用PLL 锁定时间使PLL 稳定输出。时钟控制逻 辑在上电复位时和从掉电模式中唤醒时同样是激活的。
分析上图，系统时钟初始化流程如下(FCLK即MPLL锁相环的输出)：
- 系统刚上电几毫秒后，FCLK等于外部晶振(OSC)的时钟频率，即FCLK=Fin；
- 当复位信号nRESET恢复高电平后，锁相环按照寄存器MPLLCON和CLKDIVN设定的倍频比例开始生成所需要的时钟频率FCLK,HCLK,PCLK。从图可以看到，从锁相环开始工作到输出新的稳定的频率值需要一定的时间(Lock Time，也叫锁相环的捕获时间)，经过这段时间后，锁相环输出新的频率值，这时FCLK等于锁相环MPLL的输出,而HCLK,PCLK通过CLKDIVN寄存器控制分频比。寄存器LOCKTIME中的值对应着图中的Lock Time，初始化时一般将其设为0xFFFFFFFF，这是S3C2440数据手册上给出的默认值，一般按照这个值初始化LOCKTIME寄存器即可满足要求。
1.6 FCLK、HCLK、PCLK关系
当HDIV=0时，HCLK=FCLK；当HDIV=1时，HCLK=FCLK/2；
当PDIV=0时，PCLK=HCLK；当PDIV=1时，PCLK=HCLK/2；
三者关系通过CLKDIVN寄存器进行设置，S3C2440时钟设置时，还要额外设置CAMDIVN(0X4C000018，照相机时钟分割寄存器)，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：
注意：如果HDIVN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，HDIVN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（S3C2440无同步总线模式），可以通过下面的嵌入汇编代码实现：
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*/
1.7 总结
相信你看完上面的关于初始化的，应该大概懂了初始化流程，但可能还是不知道怎么产生对应的MCLK、PCLK和FCLK。
那么，如何控制锁相环PLL的输出频率呢？S3C2440处理器内部有两个寄存器：
- MPLLCON寄存器控制FCLK与Fin的比例关系；
- CLKDIVN寄存器控制FCLK和HCLK、PCLK的比例关系；
我们使用下图表示简要的表达这四者的关系：
二、 时钟相关寄存器
2.1 锁定时间计数寄存器（LOCKTIME）
寄存器信息：
| 寄存器 | 地址 | R/W | 描述 | 复位值 |
| LOCKTIME | 0x4C000000 | R/W | PLL锁定时间计数寄存器 | 0xFFFFFFFF |
寄存器位信息：
| BWSCON | 位 | 描述 | 初始状态 |
| U_LYIME | [31:16] | UCLK 的UPLL 锁定时间计数值（U_LTIME 300μs） | 0xFFFF |
| M_LTIME | [15:0] | FCLK，HCLK 和PCLK 的MPLL 锁定时间计数值（M_LTIME 300μs） | 0xFFFF |
2.2 PLL控制寄存器（MPLLCON和UPLLCON）
寄存器信息：
| 寄存器 | 地址 | R/W | 描述 | 复位值 |
| MPLLCON | 0x4C000004 | R/W | MPLL配置寄存器 | 0x00096030 |
| UPLLCON | 0x4C000008 | R/W | UPLL配置寄存器 | 0x0004D030 |
寄存器位信息：
| PLLCON | 位 | 描述 | 初始状态 |
| MDIV | [19:12] | 主分频控制 | 0x96/0x4D |
| PDIV | [9:4] | 预分频控制 | 0x03/0x03 |
| SDIV | [1:0] | 后分频控制 | 0x00/0x00 |
注意： 在系统初始化阶段，当你设置MPLL 和UPLL 的值时，你必须首先设置UPLL 值再设置MPLL 值。（大约需要7 个NOP的间隔）.
MPLL控制寄存器：
$$MPLL=\frac{2 \times m \times Fin}{p \times 2^s}$$
$$m=MDIV+8，p= PDIV +2, s = SDIV$$
UPLL控制寄存器：
$$UPLL=\frac{ m \times Fin}{p \times 2^s}$$
$$m=MDIV+8，p= PDIV +2, s = SDIV$$
2.3 时钟控制寄存器
寄存器信息：
| 寄存器 | 地址 | R/W | 描述 | 复位值 |
| CLKCON | 0x4C00000C | R/W | 时钟控制寄存器 | 0xFFFFF0 |
寄存器位信息：
| CLKCON | 位 | 描述 | 初始状态 |
| AC97 | [20] |
控制进入AC97模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| Camera | [19] |
控制进入摄像头模块的HCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| SPI | [8] |
控制进入SPI模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| IIS | [17] |
控制进入IIS模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| IIC | [16] |
控制进入IIC模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| ADC | [15] |
控制进入ADC模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| RTC | [14] |
控制进入RTC模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| GPIO | [13] |
控制进入GPIO模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| UART2 | [12] |
控制进入UART2模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| UART1 | [11] |
控制进入UART1模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| UART0 | [10] |
控制进入UART0模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| SDI | [9] |
控制进入SDI模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| PWMTIMER | [8] |
控制进入PWM模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| USB device | [7] |
控制进入USB设备模块的PCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| USB host | [6] |
控制进入USB主机模块模块的HCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| LCDC | [5] |
控制进入LCDC模块的HCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| NAND Flash Controller | [4] |
控制进入NAND FLash控制器模块的HCLK 0 ：禁止 1：使能 |
1 |
| SLEEP | [3] |
控制S3C2440的睡眠模式 0 ：禁止 1：转换到空闲模式 |
0 |
| IDLE BIT | [2] |
进入空闲模式，此位不会自动清理 0 ：禁止 1：转换到睡眠模式 |
0 |
| 保留 | [1:0] | 保留 | 0 |
通过控制CLKCON寄存器对应的位就可以实现某个硬件模块时钟的开启和关闭，从而达到降低功耗的目的。
2.4 时钟分频控制寄存器（CLKDIVN）
寄存器信息：
| 寄存器 | 地址 | R/W | 描述 | 复位值 |
| CLKDIVN | 0x4C000014 | R/W | 时钟分频控制寄存器 | 0x00000004 |
寄存器位信息：
| CLKDIVN | 位 | 描述 | 初始状态 |
| DIVN_UPLL | [3] |
UCLK 选择寄存器（UCLK 必须为48MHz 给USB） 0：UCLK = UPLL时钟 1：UCLK = UPLL 时钟 / 2 当UPLL 时钟被设置为48MHz 时，设置为0 当UPLL 时钟被设置为96MHz 时，设置为1 |
0 |
| HDIVN | [2:1] |
00：HCLK = FCLK/1 01：HCLK = FCLK/2 10：HCLK = FCLK/4 当CAMDIVN[9] = 0时 HCLK = FCLK/8 当CAMDIVN[9] = 1时 11：HCLK = FCLK/3 当CAMDIVN[8] = 0 时 HCLK = FCLK/6 当CAMDIVN[8] = 1 时 |
00 |
| PDIVN | [0] |
0：PCLK 是和HCLK/1 相同的时钟 1：PCLK 是和HCLK/2 相同的时钟 |
0 |
2.5 摄像头时钟分频控制寄存器（CAMDIVN）
寄存器信息：
|
寄存器名 |
地址 |
是否读写 |
描述 |
复位值 |
|
CAMDIVN |
0x4C000018 |
R/W |
摄像头时钟分频控制寄存器 |
0x00000000 |
寄存器位信息：
| CAMDIVN | 位 | 描述 | 初始状态 |
| DVS_EN | [12] |
0：关闭DVS 1：开启DVS |
0 |
| 保留 | [11] | 保留 | 0 |
| 保留 | [10] | 保留 | 0 |
| 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 |
| CAMCLK_SEL | [4] |
0：使用UPLL 输出作为CAMCLK（CAMCLK=UPLL 输出） 1：CAMCLK_DIV 的值分频得到CAMCLK |
0 |
| CAMCLK_DIV | [3:0] | CAMCLK 分频因子设置寄存器（0 至15）
摄像头时钟 = UPLL / [(CAMCLK_DIV +1)x2] |
0 |
2.6 FCLK值选择
现在咱们应该有个大概的意识了，设置MPLLCON中相应的位，就可以通过Fin获得FCLK了。但是这家伙还得一步步的算MDIV、PDIV、SDIV的值，太麻烦了，对于我这懒人，这样不好不好。那么怎么得到这三者的值呢？
虽然PLL给用户提供了灵活变换系统时钟的功能，但是，并不是任意的时钟下处理器都能正常工作，基于此种原因，为了照顾我等懒人，官方给出了系统时钟配置参考，如图所示：
下面以第5行为例讲解，假设外部晶振输入为$12MHz$，$MDIV=92$，$PDIV=1$，$SDIV=1$，则：
$$m=92+8=100，p=1+2=3，s=1$$
$$FCLK=\frac{2*100*12MHz}{3*2^1}=400MHz$$
小技巧：由上面的分析可以看到，MDIV、PDIV和SDIV都是占用了MPLLCON的连续某几位，如PDIV是MPLLCON寄存器的第4~9位。因此，初始化时可以使用移位指令来实现对MPLLCON的初始化。
2.7 UPLL值选择
同上，此处不再介绍。
三、系统时钟初始化步骤
3.1 设置LockTime变频锁定时间
LockTime变频锁定时间由LOCKTIME寄存器来设置，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，即MPLL设置生效的等待时间。
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。
3.2 设置FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例
设置CLKDIVN寄存器：
例如：已知系统外部晶振输入为12MHz，要求$FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz$，即$FCLK：HCLK：PCLK=1：4：8$，则$CLKDIV\_VAL=5$。
3.3 设置CPU工作于异步模式
如果HDIVN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，HDIVN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（S3C2440无同步总线模式）。
可以通过下面的嵌入汇编代码实现：
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*/
3.4 设置FCLK与晶振输入频率（Fin）的倍数
例如，已知系统外部晶振输入为12MHz，要求FCLK输出400MHz，经过计算可以得到$MDIV=92，PDIV=1，SDIV=1$。
对于ARM汇编，可以用下面的指令进行初始化（设置MPLLCON寄存器）：
M_MDIV EQU 92 ;Fin=12MHz,Fout=200MHz
M_PDIV EQU 1
M_SDIV EQU 1 ;S3C2440
ldr r0,=MPLLCON ;将MPLLCON寄存器的地址值暂存于r0
ldr r1,=((M_MDIV<<12)+(M_PDIV<<4)+M_SDIV) ;将设置MPLLCON的值暂存于r1
str r1,[r0] ;将r1寄存器的值赋给MPLLCON寄存器
如果要求FCLK输出400MHz，那么相对应的值$MDIV=92，PDIV=1，SDIV=1$。这两组值就是经常用到的。
四、程序
$Fin=12MHz，FCLK=400MHz，HCLK=100MHz，PCLK=50MHz$,下面是完整的时钟初始化代码。
4.1 start.s
ARM汇编版本：
.text .global _start _start: /* 关闭看门狗 */ bl disable_watchdog /* 设置系统时钟 */ bl system_clock_init /* 初始化栈 */ bl stack_init /* 跳到main函数执行 */ bl main loop: b loop /* 关闭开门狗(关闭门狗中断，以及看门狗计数器，禁止复位信号输出) */ #define WTCON 0x53000000 /* 看门狗控制寄存器地址 #define等价于标准汇编里的EQU 用来定义常量 */ disable_watchdog: ldr r0,=WTCON /* 伪指令加载WTCON值到r0 */ mov r1,#0x00 str r1,[r0] /* 把[WTCON]内存单元清零 */ mov pc,lr /* 初始化系统时钟 FCLK = 400MHz,HCLK = 100MHz, PCLK = 50MHz, UPLL=48MHz */ #define LOCKTIME 0x4c000000 #define MPLLCON 0x4c000004 #define UPLLCON 0x4c000008 #define CLKDIVN 0x4c000014 #define M_MDIV 92 /* @Fin=12M MPLL=400M */ #define M_PDIV 1 #define M_SDIV 1 #define U_MDIV 56 /* @Fin=12M UPLL=48M */ #define U_PDIV 2 #define U_SDIV 2 #define DIVN_UPLL 0 /* FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8 */ #define HDIVN 2 #define PDIVN 1 system_clock_init: /* 设置Lock Time */ ldr r0,=LOCKTIME ldr r1,=0xffffffff str r1,[r0] /* 设置分频系数 */ ldr r0,=CLKDIVN ldr r1,=((DIVN_UPLL<<3) | HDIVN <<1 | PDIVN) str r1,[r0] /* CPU改为异步总线模式 */ mrc p15,0,r1,c1,c0,0 orr r1,r1,#0xC0000000 mcr p15,0,r1,c1,c0,0 /* 设置UPLL */ ldr r0,=UPLLCON ldr r1,=((U_MDIV<<12) | (U_PDIV<<4) | U_SDIV) str r1, [r0] nop nop nop nop nop nop nop /* 设置MPLL */ ldr r0,=MPLLCON ldr r1,=((M_MDIV << 12) | (M_PDIV << 4) | M_SDIV) str r1,[r0] mov pc,lr /* 设置栈 自动分辨是nor flash 启动还是nand flash启动 */ /* 先将一个数写道0地址，然后读出来判断跟写入的值是否一样;跟写入的一样则是nand flash启动,跟写入的值不一样则是nor flash 启动 */ stack_init: mov r1, #0 ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */ str r1, [r1] /* 0->[0] */ ldr r2, [r1] /* r2=[0] */ cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */ ldr sp, =0x40000000+ 0x1000 /* 先假设是nor启动，片内SRAM空间 */ moveq sp, #0x1000 /* nand启动, 将栈设置在4k处 */ streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */ mov pc,lr
4.2 main.c
/*GPIO registers*/ #define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010) #define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014) void delay(int tim){ while(tim--); } int main(){ /* 清零 */ GPBCON &= ~(0x03 << 10); /* 设置为output */ GPBCON |= (0x01 << 10); while(1){ /* 将 GPB5 输出低电平 */ GPBDAT &= ~(1<<5); delay(0x100000); /* 将 GPB5 输出高电平 */ GPBDAT |= (1<<5); delay(0x100000); } return 0; }
4.3 Makefile
all:start.o main.o # 链接 arm-linux-ld -Ttext 0x30000000 -o main.elf $^ # 转为bin -S 不从源文件中复制重定位信息和符号信息到目标文件中 arm-linux-objcopy -O binary -S main.elf main.bin # 反汇编 -D反汇编所有段 arm-linux-objdump -D main.elf > main.dis %.o : %.S arm-linux-gcc -g -c $^ %.o : %.c arm-linux-gcc -g -c $^ .PHONY: clean clean: rm *.o *.elf *.bin *.dis
将bin文件烧写进开发板，可以看到LED的闪烁速度比没有进行时钟初始化的时候快了好多。
五、代码下载
Young / s3c2440_project【3.clock】
这个代码没有超过4kb，可以直接下载到NAND中，通过NAND启动运行，也可以直接下载到SDRAM 0x30000000处运行。
参考文章
