S3C2440时钟频率
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。