时钟配置

Posted 2021-02-22 fxzq

要让LPC824正常工作，首先要对它的时钟源进行配置。LPC824的最高工作频率为30MHz，因此给它的主时钟频率最大不能超过30MHz。实际上，通常都是使用频率较低的晶振，以降低外部电磁干扰，然后再通过内部倍频的方式把主时钟频率提高。根据管方手册给出的数据，外部晶振的频率范围是1MHz~25MHz，一般情况下使用12MHz晶振，然后内部进行2倍频，主时钟工作频率为24MHz。
要对LPC824的时钟进行配置，必须要了解它的时钟结构，先来看一下它的时钟结构图，如下图所示。

首先来看主时钟，给主时钟（main clock）提供选择有4个源，分别是：内部RC振荡器、未倍频之前的PLL时钟、内部看门狗时钟、经过PLL倍频之后的时钟。由对主时钟源选择寄存器（MAINCLKSEL）的操作来进行选择，同一时刻只能选择一种时钟做为主时钟。

下表给出了主时钟源选择寄存器MAINCLKSEL的全部位结构，其字节地址为0x40048070。注意，由于LPC824是32位微控制器，所以它内部的寄存器全都是32位的。

（1）第0、1两位（SEL）为主时钟源选择位，这两位的值从0x0到0x3，分别对应选择内部RC时钟、未倍频之前的PLL时钟、内部看门狗时钟、经过PLL倍频之后的时钟。
（2）第2到31位为保留位。
一般情况下都会选择系统PLL倍频后的时钟作为主时钟，因此大多数时候MAINCLKSEL寄存器的值都会选择0x3（执行语句“LPC_SYSCON->MAINCLKSEL=0x00000003”）。
接下来看系统PLL时钟，PLL（Phase Locked Loop）即锁相环，它的功能很多，这里主要利用它来实现倍频的功能。从时钟结构图中可以看出，供给PLL选择的有3个源，一个是片内RC振荡器，另一个是系统振荡器，再一个是外部输入。通过对系统PLL时钟选择寄存器的操作可进行选择，但同一时刻只能选择一种时钟作为输入时钟。
下表给出了系统PLL时钟选择寄存器SYSPLLCLKSEL的全部位结构，其字节地址为0x40048040。

（1）第0、1两位（SEL）为系统PLL时钟源选择位，值为0x0时选择内部RC时钟，值为0x1时选择系统振荡时钟（即外部晶振），值为0x3时选择外部时钟输入，其他值为保留。
（2）第2到31位为保留位。
为了提高LPC824的时钟精度，一般情况下SYSPLLCLKSEL寄存器的值会选择0x1（执行语句“LCP_SYSCON->SYSPLLCLKSEL=0x00000001”），以选择外部晶体振荡器作为时钟输入。
从时钟结构图中可以看到，主时钟分成4路供给不同的模块。其中一路主时钟经过系统AHB时钟分频选择（SYSAHBCLKDIV）后作为系统时钟提供给AHB。在LPC824中，只有高速设备（如GPIO、SRAM等）才需要AHB。为了给不同速度的模块（如内核、存储、APB等）提供时钟，需要对系统AHB时钟分频选择寄存器进行操作，以对主时钟进行分频。
下表给出了系统AHB时钟分频选择寄存器SYSAHBCLKDIV的全部位结构，其字节地址为0x40048078。

（1）第0到7位（DIV）为系统AHB时钟选择位，值为0时禁止系统时钟，其他值为AHB时钟的分频值。
（2）第8到31位为保留位。
从表中可以看到，AHB时钟分频的最大值为255。系统的默认值为1（也可执行语句“LPC_SYSCON->SYSAHBCLKDIV=0x00000001”来实现），即为AHB提供不分频的主时钟。剩余3个模块（USART、IOCON、CLKOUT）的时钟也一样由主时钟来分频，只不过它们默认的分频值为0，即默认不提供时钟，也就是说剩余的3个模块在默认状态下不工作，需要的时候再通过程序打开，以降低功耗。

下表给出的是掉电配置寄存器PDRUNCFG的全部位结构，其字节地址为0x40048238。

 

（1）第0位（IRCOUT_PD）为内部RC振荡器输出掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为上电。
（2）第1位（IRC_PD）为内部RC振荡器掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为上电。
（3）第2位（FLASH_PD）为FLASH掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为上电。
（4）第3位（BOD_PD）为BOD掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为上电。
（5）第4位（ADC_PD）为ADC掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为掉电。
（6）第5位（SYSOSC_PD）为系统振荡器掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为掉电。
（7）第6位（WDTOSC_PD）为看门狗振荡器掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为掉电。
（8）第7位（SYSPLL_PD）为系统PLL掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为掉电。
（9）第8到14位为保留位，但它们有默认值，在对这些位进行写入操作时，必须按照默认值来写。
（10）第15位（ACMP）为模拟比较器掉电控制位，置0时上电，置1时掉电，默认为掉电。
（11）第16到31位为保留位。
从上表中可以看出，系统振荡器和系统PLL在默认情况下是掉电的，也就是说默认状态下它们处于不工作状态，要让它们工作就必须给它们的控制位置0（执行语句“LPC_SYSCON->PDRUNCFG &= ~(1 << 5)”和“LCP_SYSCON->PDRUNCFG &= ~(1 << 7)”），以更改为上电状态。

下表给出了系统振荡器控制寄存器SYSOSCCTRL的全部位结构，其字节地址为0x40048020。

（1）第0位（BYPASS）为系统振荡器旁路控制位，置0时未旁路，置1时被旁路，默认为未旁路。
（2）第1位（FREQRANGE）为低功耗振荡器确定频率范围选择位，置0时外部晶振的频率范围为1~20MHz，置1时为15~20MHz，默认为1~20MHz。
（3）第2到31位为保留位。
从上表中可以看出，如果要让系统振荡器工作，则SYSOSCCTRL寄存器的第0位就应该选择0，即不被旁路，只有从外部直接输入振荡信号的情况下才会选择旁路（比如使用有源晶振）。若系统使用12MHz外部晶振，则第1位应该选择0。实际上LPC824复位后的值就是该配置值，当然也可执行语句“LCP_SYSCON->SYSOSCCTRL = 0x00000000”来实现。
在配置了LPC824的时钟之后（无论是PLL时钟还是主时钟），都需要“更新”一下才能正常工作。根据官方数据手册，更新操作要给相应的更新允许寄存器进行“toggle”操作（即先向其写0再紧接着写1），这样之后时钟才能正常运行。
以下两表分别给出了系统PLL时钟源更新允许寄存器SYSPLLCLKUEN和主时钟源更新允许寄存器MAINCLKUEN的全部位结构，它们的字节地址分别为0x40048044、0x40048074。

（1）第0位（ENA）为允许系统PLL时钟源更新控制位，置0时无变化，置1时更新，默认为无变化。
（2）第1到31位为保留位。

（1）第0位（ENA）为允许主时钟源更新控制位，置0时无变化，置1时更新，默认为无变化。
（2）第1到31位为保留位。

在PLL时钟源和主时钟源更改后，紧接着要及时更新相应的允许寄存器才能让它们正常工作。此外还要注意，“toggle”后需要再次查询相应的允许寄存器是否已更新，若没有就需要等待直到其更新为止（例如在更新PLL时钟源更新允许寄存器SYSPLLCLKUEN后要执行语句“while (!(LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN & 0x01));”，以等待其更新完成）。
接下看PLL的配置，要让PLL对输入时钟进行倍频或分频，就得配置系统倍频控制寄存器，下表给出了系统倍频控制寄存器SYSPLLCTRL的全部位结构，其字节地址为0x40048008。

 

（1）第0到4位（MSEL）为反馈分频器的值，分频器的值M为MSEL+1。
（2）第5、6两位（PSEL）为后分频器的值，分频器的值为2×P。
（3）第7到31位为保留位，不能对它们写1。
PLL的输出频率要符合下面的公式：

上式中，Fclkout为PLL的输出频率，Fclkin为外部晶振的频率，FCCO的值必须在156MHz ~320MHz之间，M为倍频的倍数，P值要符合要求。若以12MHz的晶振做为输入，系统主时钟要为24MHz，则M=2（MSEL=0010），P的值只能取4（PSEL=10）才能满足公式要求。因此寄存器SYSPLLCTRL的值应该为100010（0x22），所以要配置此项可执行语句“LPC_SYSCON->SYSPLLCTRL = 0x00000022”。
下表给出了倍频状态寄存器SYSPLLSTAT的全部位结构，其字节地址为0x4004800C。

 

（1）第0位（LOCK）为PLL锁定状态标志位，为0时未锁定，为1时锁定。
（2）第1到31位为保留位。
在改变了PLL的倍频之后，要查询SYSPLLSTAT寄存器来确定PLL锁定了没有，若没有就进入等待直到其锁定为止（执行语句“while (!(LPC_SYSCON->SYSPLLSTAT & 0x01));”）。
CPU要对GPIO进行操作，就必须给GPIO时钟信号，即需要使能GPIO的时钟。在默认情况下GPIO时钟是允许的，也可以对系统AHB时钟控制寄存器中相应的位进行操作来选择允许时钟。
下表给出了系统AHB时钟控制寄存器SYSAHBCLKCTRL的全部位结构，其字节地址为0x40048080。

  

（1）第0位（SYS）为允许AHB时钟标志位，该位为只读，值为0时保留，为1时允许，默认为允许。
（2）第1位（ROM）为允许ROM时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为允许。
（3）第2位（RAM0_1）为允许SRAM0和SRAM1时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为允许。
（4）第3位（FLASHREG）为允许flash寄存器接口时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为允许。
（5）第4位（FLASH）为允许flash时钟控制位，置0时上电禁止，置1时允许，默认为允许。
（6）第5位（I2C0）为允许I2C0时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（7）第6位（GPIO）为允许GPIO时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为允许。
（8）第7位（SWM）为允许开关矩阵时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为允许。
（9）第8位（SCT）为允许配置SCTimer/PWM时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（10）第9位（WKT）为允许自唤醒定时器时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（11）第10位（MRT）为允许多速率定时器时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（12）第11位（SPI0）为允许SPI0时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（13）第12位（SPI1）为允许SPI1时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（14）第13位（CRC）为允许CRC时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（15）第14位（UART0）为允许USART0时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（16）第15位（UART1）为允许USART1时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（17）第16位（UART2）为允许USART2时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（18）第17位（WWDT）为允许WWDT时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（19）第18位（IOCON）为允许IOCON时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（20）第19位（ACMP）为允许模拟比较器时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（21）第20位为保留位。
（22）第21位（I2C1）为允许I2C1时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（23）第22位（I2C2）为允许I2C2时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（24）第23位（I2C3）为允许I2C3时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（25）第24位（ADC）为允许ADC时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（26）第25位为保留位。
（27）第26位（MTB）为允许微跟踪缓冲区控制寄存器时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（28）第27、28两位为保留位。
（29）第29位（DMA）为允许DMA时钟控制位，置0时禁止，置1时允许，默认为禁止。
（30）第30、31两位为保留位。

从上表中可以看出，第6位即为“通用输入输出端口GPIO”的时钟配置项，执行语句“LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<6)”就可以开启GPIO的时钟。在打开了GPIO的时钟后，PIO0_0~PIO0_28端口才能正常使用，不过默认状态就是开启的。

由上述可见，基于Cortex-M0+内核的微控制器由于强化了时钟配置，所以在一般情况下使用该类型的芯片，首要的任务就是配置正确的时钟。
下面给出一个时钟初始化的配置函数，可通过它来了解LPC824时钟配置的整个过程。
void SysCLK_config(void)
{
 uint8_t i;
 LPC_SYSCON->PDRUNCFG &= ~(1 << 5);  //给系统振荡器上电
 LPC_SYSCON->SYSOSCCTRL = 0x00000000;  //系统振荡器未旁路，1~12MHz输入
 for (i = 0; i < 200; i++) __nop();      //延时等待振荡器稳定
 LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1 << 18);  //使能IOCON时钟
 LPC_IOCON->PIO0_8 &= ~(3 << 3);          //把P0_8引脚配置为无上下拉电阻方式
  LPC_IOCON->PIO0_9 &= ~(3 << 3);          //把P0_9引脚配置为无上下拉电阻方式
  LPC_SWM->PINENABLE0 &= ~(3 << 6);     //把P0_8、P_9引脚配置为XTALIN、XTALOUT引脚
 LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL &= ~(1 << 18);  //禁止IOCON时钟
 LPC_SYSCON->SYSPLLCLKSEL = 0x00000001;  //PLL输入选择外部晶体振荡
 LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 0x00;
 LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN = 0x01;  //先写0后写1更新时钟源
 while (!(LPC_SYSCON->SYSPLLCLKUEN & 0x01)); //等待更新完成
 LPC_SYSCON->SYSPLLCTRL = 0x00000022;  //M=2、P=4，倍频后的时钟为24MHz
 LPC_SYSCON->PDRUNCFG &= ~(1 << 7);   //给PLL上电
 while (!(LPC_SYSCON->SYSPLLSTAT & 0x01)); //等待PLL锁定
 LPC_SYSCON->MAINCLKSEL = 0x00000003;   //主时钟选择PLL倍频后的时钟
 LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x00;
 LPC_SYSCON->MAINCLKUEN = 0x01;   //先写0后写1更新时钟源
 while (!(LPC_SYSCON->MAINCLKUEN & 0x01));  //等待更新完成
 LPC_SYSCON->SYSAHBCLKDIV = 0x00000001;  //AHB为1分频，AHB时钟为24MHz

在上述配置中，系统外部时钟晶振为12MHz，则在该函数执行完后，LPC824时钟就会被设置为主时钟24MHz，AHB时钟24MHz。另外，由于在默认状态下，LPC824的PIO0_8和PIO0_9两个引脚是GPIO功能，所以要连接外部晶振先要把它们配置为XTALIN、XTALOUT引脚，否则芯片不能正常工作。