专题7-ARM跑快了---时钟初始化

一．概念解析

1．时钟脉冲信号

时钟脉冲信号：按一定的电压幅度，一定的时间间隔连续发出的脉冲信号。时钟脉冲信号是时序逻辑的基础，它用于决定逻辑单元中的状态核实更新。数字芯片中众多的晶体管都工作在开关状态，他们的导通和管段动作无不适按照时钟信号的节奏进行的。

2．时钟频率

时钟脉冲频率：在单位时间（如1秒）内产生的时钟脉冲个数。

3．时钟源
         时钟信号有两种产生的方式：晶振和锁相环PLL

晶振：

（1）晶振全称晶体振荡器，是用石英晶体经精密切割磨削并且镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械震荡，他们有一个很重要的特点，其震荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于适应晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其震荡频率与非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很精确。

（2）晶体震荡器时钟的有点包括结构简单和噪声低，以及可以客户提供精确的定制频率等方面；但另一方面，它的缺点也比较明显，例如其频率仅由晶体决定，通常是特定晶体被制成客户所需的振荡器，导致生产成本高、交贷周期较长，不利于客户加快产品上市时间，而且难以获得非标准的频率。

锁相环PLL

（1）PPL（锁相环）合成器是一种更为复杂的系统时钟源。通用PLL合成器需要一个外部晶体并包含一个能够对晶体的特定频率加倍或分频的集成锁相环（PLL）电路。

（2）典型的系统时钟振荡器源通常采用石英晶振，而更复杂的系统时钟震荡器原则是由PLL合成器提供。

对比：

（1）对于特定的时钟频率，采用PLL合成器可使用较便宜以及较低频率晶振来代替昂贵的高频晶振；

（2）对于需要多个时钟频率的系统，才用PLL合成器通过分频可实现，而此时采用晶振模块则需要多个不同频率的晶振。

因此相对于晶体震荡模块，通过PLL合成器提供精确时钟具有成本更低、占板面积更小等一系列优点。

二．时钟体系

学习步骤：

（1）了解晶振频率

（2）了解它的PLL

（3）有PLL产生了什么时钟

（4）这些时钟是干什么的

1. 2440时钟体系

晶振频率：12MHz

PLL：MPLL和UPLL

PLL分别产生了哪些时钟：MPLL产生Fclk、Hclk、Pclk；UPP产生UCLK

时钟	应用场合	应用举例	所属PLL
FCLK（最重要）	处理器	Arm920T	MPLL
HCLK	AHB总线	LCD，DMA...	MPLL
PCLK	APB总线	Uart,GPIO...	MPLL
UCLK	USB总线	USB主从口	UPLL

1. 6410时钟体系

晶振：12MHz

PLL：APLL，MPLL，EPLL

产生的时钟：APLL（ARMCLK），MPLL（HCLK，PCLK），EPLL（SCLK）

时钟	应用场合	应用举例	所属PLL
ACLK（最重要）	处理器	Arm11	APLL
HCLK	AHB总线	LCD，DMA...	MPLL
PCLK	APB总线	Uart,GPIO...	MPLL
SCLK	USB总线	USB主从口	EPLL

1. 210时钟体系

和s3c2440，s3c6410不同，s5pv210首先推荐使用的是24MHz的外部晶振。其次S5PV210的时钟被分为3大体系，分别是：

主系统时钟体系（MSYS）

显示相关的时钟（DSYS）

外围设备的时钟（PSYS）

S5PV210有4个PLL，分别是APLL，MPLL，EPLL和VPLL。

时钟体系	所属时钟	应用举例	锁相环
MSYS	ARMCLK HCLK_MSYS PCLK_MSYS	ARM核 内存控制器 中断...	APLL
DSYS	HCLK_DSYS PCLK_DSYS	显示相关部件 如FIMC	MPLL
PSYS	HCLK_PSYS CLK_DPM	外设，如Uart，i2c	EPLL
视频相关			VPLL

三．配置流程

在s3c2440芯片手册的第7章可以找到：

这是2440的时钟启动流程，反映了CPU上电以后，cpu由低频率到高频率的演变过程。

FCLK是给ARM核使用的。一旦上电FCLK的频率就是晶振频率，是很慢的。利用软件配置锁相环PLL，当配置完成的时候，发现CPU频率变成0了，这段时间是locktime。这段时间很短，结束之后，CPU就会按照新的配置好的频率去工作了。设计始终初始化软件，需要知道软件要完成什么工作，然后才是软件执行的顺序。芯片手册的第七章，下面有：

软件的工作流程：

（1）配置locktime

（2）配置分频系数（Hclk和Pclk通过分频的设置来完成分别会Fclk的1/2和1/4，设置分频系数），设置好Fclk，对应的Hclk与Pclk也就完整了频率的设置。

（3）如果Fclk（核）和Hclk（总线）不相等，设置cpu为异步模式，这个条件基本是不存在的。这是上面的注意事项所提示的。

（4）设置Fclk

四．写代码

写代码的依据：软件的工作流程与芯片手册。

2440：

1. 首先在芯片手册上找到，Lock time的寄存器，如下：

它有两个需要设置的分别是U_LTIME和M_TIME，如下：

在设置Lock time的时候，我们一般采取默认值，也就是初始值。

1. 分频系数的选择并不是随意选择的，而是按照芯片手册中的下表进行的：

怎么设置系数，需要考虑HDIVN和PDIVN，找个寄存器来设置它们。CLKDIVN的地址是0xC000014就是来设置它们的，如下：

1. 设置异步的工作模式，在上面的Note里面有记载，如下：

MMU_SetAsyncBusMode

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

orr r0,r0,#R1_nF:OR:R1_iA

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

打开芯片核手册，找到对应的CP15的寄存器，这里提到了nF位和iA位，记录如下：

需要这两个位位是1，其他的位是0。

1. 设置Fclk，可以按公式计算，也可以在芯片手册里面找到PLL VALUE SELECTION TABLE

从表中可以看到三个影响因子，在MPLLCON寄存器中可以找到对应的，设置位。MPLLCON的地址是0x4c000004，对应的关系如下：

加入新的start.s的代码部分：

reset:

bl set_svc

bl disable_watchdog

bl disable_interrupt

bl disable_mmu

bl init_clock

bl light_led

#define CLKDIVN 0x4c000014      @分频寄存器的地址，用来设置HDIVN和PDIVN

#define MPLLCON 0x4c000004     @设置MPLLCON的地址

#define MPLL_405MHZ ((127<<12)|(2<<4)|(1<<0))

init_clock:

ldr r0, =CLKDIVN       @分频寄存器

mov r1, #0x5          @HDIVN、PDIVN分别为2、1，对应二进制为0b101

str r1, [r0]            @对应的Fclk、Hclk和Pclk系数比例是1:4:8

mrc p15,0,r0,c1,c0,0     @设置异步工作模式

orr r0,r0,#0xc0000000  @只有开头的两位是1，其他的30位都是0

mcr p15,0,r0,c1,c0,0    @将设置好的值，再次写回c1这个寄存器

ldr r0, =MPLLCON

ldr r1, =MPLL_405MHZ  @将设置的值导入r1

str r1, [r0]

mov pc, lr

6410：

1. 设置locktime。在6410中有APLL_LOCK，MPLL_LOCK和EPLL_LOCK三个，它们的默认值都是0x0000FFFF，

我们一般采取默认值

1. 设置分频系数，在6410芯片手册的125页，可以看到下图：

6410中采用的是12MHz的晶振，经过锁相环APLL和MPLL处理之后，产生两个锁相环的输出时钟。在经过分频后，产生ARMCLK和HCLKx2，其中HCLKx2再次经过分频又产生了HCLK、PCLK、CLKJPEG和CLKSECUR。

6410的一系列时钟信号的产生，需要不断的分频，我们需要做的就是设置一些分频系数，ARMCLK=APLLCLK/(DIVARM+1)；HCLx2=MPLLCLK/(DIVHCLKx2+1)

HCLK=HCLKx2/(DIVHCK+1)；PCLK=HCLKx2/(DIVPCLK+1)。下面要考虑的是这些因子的值如何设置。这里采用u-boot里面设置的值，DivPclk=3（第12位），DIvHclk=1（第8位），Hclkx2=1（第9位），Divarm=0（第0位）。对应算得ARMCLK、HCLK、HCLKx2、PCLK的值分别是533、266、133、66。

这一切的设置都是有CLK_DIV0设置的，它的地址是0x7E00F020

1. 异步模式。在2440控制它的异步模式，使用的是CP15协处理器。在6410的芯片手册的169页有OTHER寄存器，它的地址是0x7E00F900，它的第七位就是用来设置6410的同步模式（1）与异步模式（0）的。它的第六位是SYNCMUX，在上图中的作用是选择器，当系统工作在异步模式的时候，MPLL的输出产生后面的时候，它的值是0。当它的值是1的时候，用APLL产生后面的时钟
2. 设置FCLK。在6410中，只要设置好了APLL和MPLL的输出频率，就因为分频，得到Fclk的大小，参考表格是芯片手册的142页的：

这两个寄存器的地址配置如下：

附加：

         在6410中还有一个CLK_SRC没有设置，当它取值1的时候，表示通过MPLL产生是时钟源，当它为0的时候表示直接通过晶振产生时钟源。

它的地址,0x7E00F01C，它的0-2这三位就是控制选择哪个时钟源，它的默认值是0，我们需要将这三位都设置为1

代码：

reset:

bl set_svc

bl set_peri_port

bl disable_watchdog

bl disable_interrupt

bl disable_mmu

bl init_clock

bl light_led

#define CLK_DIV0 0x7e00f020   @设置分频系数，设置寄存器地址

#define OTHERS 0x7e00f900     @设置异步工作模式，设置OTHER寄存器

#define MPLL_CON 0x7e00f010  @设置Flck，间接设置M PLL的地址

#define APLL_CON 0x7e00f00c   @设置Flck，间接设置APLL的地址

#define CLK_SRC 0x7e00f01c    @设置附加选项CLK_SRC

#define DIV_VAL ((0x0<<0)|(0x1<<9)|(0x1<<8)|(0x3<<12))  @设置分频系数，赋予寄存器的值

#define PLL_VAL ((1<<31)|(266<<16)|(3<<8)|(1<<0)) @设置Flck,设置APLL和MPLL控制寄存器

init_clock:

ldr r0, =CLK_DIV0    @设置分频系数，设置寄存器地址

ldr r1, =DIV_VAL     @赋予寄存器的值

str r1, [r0]

ldr r0, =OTHERS   @设置异步工作模式，设置OTHER寄存器

ldr r1, [r0]       @将它的值读出来

bic r1,r1,#0xc0    @将第7位变成0，对应二进制是0b110000

str r1, [r0]       @将它的值写回去

ldr r0, =APLL_CON    @设置Flck，间接设置M PLL的地址

ldr r1, =PLL_VAL     @设置Flck，设置APLL控制寄存器

str r1, [r0]

ldr r0, =MPLL_CON   @设置Flck，间接设置M PLL的地址

ldr r1, =PLL_VAL     @设置Flck，设置MPLL控制寄存器

str r1, [r0]

ldr r0, =CLK_SRC  @设置附加选项CLK_SRC

mov r1, #0x3     @设置附加选项CLK_SRC寄存器的后三位都是1，对应0b111

str r1, [r0]

mov pc, lr

将代码编译，导入开发板，发现LED灯可以亮，说明程序的正确。

210：

         在210的芯片手册361页，可以看到时钟的启动图：

210的晶振是24MHz的，利用锁相环APLL和MPLL产生下面需要的时钟。在256页可以找到时钟信号的计算公式：

1. 设置locktime。在芯片手册中搜索locktime，找到4个locktime寄存器，每个寄存器都有一个初始值，可以跳过。
2. 设置分频系数。在上图上可以看到有很多的分频系数需要设置。我们要知道两点，这些分频系数需要在哪里设置和怎么设置。在上表中的搜索DIV_APLL，找到设置它的寄存器是CLK_DIV0，地址是0x0100300。设置它的值可以使用芯片手册，不会的话可以使用使用u-boot代码。其中显示

((0x0<<0)|(4<<4)|(4<<8)|(1<<12)|(3<<16)|(1<<20)|(4<<24)|(1<<28))，实际对应的是下表：

1. 设置异步工作模式，在210中是不需要设置的
2. 设置fclk。前面设置了分频系数，并没有设置APLL和MPLL的值。它们共同决定fclk的值。APLL_CON的地址是0xe0100100（367页），MPLL_CON的地址是0xe0100108。它们所遵循的控制格式是372页的：

为了安方便设置，参考371页的表：

附加：设置CLK_SRC选择器

CLK_SRC地址为0xe0100200。APLL和MPLL产生的信号可以作为时钟源，也可以是晶振产生的时钟源

代码：

reset:

bl set_svc

bl disable_watchdog

bl disable_interrupt

bl disable_mmu

bl init_clock

bl light_led

#define CLK_DIV0 0xe0100300  @设置CLK_DIV0的地址

#define MPLL_CON 0xe0100108  @ 设置MPLL_CON 地址0xe0100108

#define APLL_CON 0xe0100100  @ 设置APLL_CON 地址0xe0100100

#define CLK_SRC  0xe0100200  @ 设置CLK_SRC  地址0xe0100200

#define DIV_VAL ((0x0<<0)|(4<<4)|(4<<8)|(1<<12)|(3<<16)|(1<<20)|(4<<24)|(1<<28))

@设置CLK_DIV0表示的分频系数，按照u-boot中仿制写的

#define APLL_VAL ((1<<31)|(3<<8)|(125<<16)|(1<<0))

#define MPLL_VAL ((1<<31)|(12<<8)|(667<<16)|(1<<0))

init_clock:

ldr r0, =CLK_DIV0   @设置CLK_DIV0的地址

ldr r1, =DIV_VAL    @设置CLK_DIV0表示的分频系数，设置分频寄存器的值

str r1, [r0]

ldr r0, =APLL_CON   @ 设置APLL_CON

ldr r1, =APLL_VAL

str r1, [r0]

ldr r0, =MPLL_CON  @ 设置MPLL_CON

ldr r1, =MPLL_VAL

str r1, [r0]

ldr r0, =CLK_SRC   @设置CLK_SRC

ldr r1, =0x1111    @二进制0001000100010001，对应0,4,8,12位是1，控制选择

str r1, [r0]

mov pc, lr

学习步骤：首先在u-boot上借鉴启动的流程。在芯片手册上摸索着前进，凡是有不会写的内容再次借鉴u-boot上的代码。