S3C2410系统时钟和定时器

开发环境

主机环境：UBUNTU10.04LTS+arm-linux-gcc 2.95.3
开发板环境：EdukitIII实验箱+s3c2410子板
问题描述：首先初始化S3C2410系统时钟，然后通过定时器中断来控制LED的点亮、熄灭情况

【1.系统时钟硬件原理】

EdukitIII实验箱上一共有两个时钟，都是通过外接晶振实现，一个是实时时钟RTC，主要为系统计时使用，其晶振X101频率为32.768kHz；另一个是系统时钟，为硬件设备提供时钟信号使用，其晶振X102为12MHz，系统时钟都是在X102的基础上通过时钟寄存器的控制来生成不同的时钟信号，为不同的硬件设备提供工作时钟信号。

S3C2410的时钟控制逻辑可以外接晶振，然后通过内部的电路产生时钟源，也可以直接使用外部提供的时钟源，通过引脚设置来选择。时钟逻辑为整个系统提供3种时钟：FCLK用于CPU核；HCLK用于AHB总线上的设备，如存储控制器、中断控制器、LCD控制器、DMA、USB主机模块等；PCLK用于APB总线上的设备，如WATCHDOG、IIS、I2C、PWM定时器、MMC接口、ADC、UART、GPIO、RTC、SPI等。
开发板上的外接时钟(晶振X102为12MHz)通过相位锁相环(PLL)电路来提高频率，S3C2410有两个PLL，一个MPLL，用于设置FCLK、HCLK、PCLK；另一个为UPLL，用于USB设备。

上电时，PLL没有启动，FCLK等于外部输入时钟Fin，若要提高系统频率，通过软件来启用PLL(设置相关寄存器)。

OSC即是外接晶振X102，频率为12MHz，上电后需要等待一段时间(Lock Time)，MPLL才能输出稳定，Lock Time的值由寄存器LOCITIME设置。Lock Time之前，FCLK=Fin,Lock Time之后，MPLL输出正常，CPU工作在新的FCLK之下。

启动S3C2410的MPLL，要设置3个相关寄存器：

LOCITIME寄存器，用于设置Lock Time的长度。LOCKTIME[0:11]用于设置MPLL的Lock Time，LOCKTIME[12:23]用于设置UPLL的Lock Time,使用默认值0x00FFFFFF即可。
MPLLCON寄存器(Main PLL Control)：用于设置FCLK与Fin的倍数，MPLLCON[0:1]称为SDIV，MPLLCON[4:9]称为PDIV，MPLLCON[12:19]称为MDIV，FCLK的计算公式如下：

   S3C2410: MPLL(FCLK) = (m * Fin)/(p * 2^s)
   S3C2410: MPLL(FCLK) = (2 * m * Fin)/(p * 2^s)
   其中: m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV

对于本开发板，Fin = 12MHz(晶振X102的频率)

本例要产生的FCLK为200MHz，因此MDIV=0x5C=92；PDIV=0x04=4；SDIV=0x00=0，所以m=100,p=6,s=0,把Fin=12MHz代入S3C2410的MPLL(FCLK)计算公式，可以得到FCLK=200MHz，因此该寄存器的值可以设置为((0x5c<<12)|(0x04<<4)|(0x00))。

CLKDIVN寄存器，用于设置FCLK、HCLK、PCLK的比例:

HDIVN1=CLKDIVN[2]=0，表示保留，
HDIVN1=CLKDIVN[2]=1，表示FCLK:HCLK:PCLK=1:4:4，此时HDIVN和PDIVN均要设置为0。HDIVN=CLKDIVN[1]=0，表示HCLK=FCLK，HDIVN=CLKDIVN[1]=1，表示HCLK=FCLK/2；PDIVV=CLKDIVN[0]=0，表示PCLK=HCLK，PDIVV=CLKDIVN[0]=1，表示PCLK=FCLK/2。

对于本例程，要求FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4，所以CLKDIVN[0:2]=0b110=0x3。如果HDIVN=1，那么CPU要从fast bus mode转换为asynchronous bus mode，可以通过如下指令完成：

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n       /* 读出控制寄存器 */
orr r1, r1, #0xc0000000\n      /* 设置为“asynchronous bus mode” */
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n      /* 写入控制寄存器 */

【2.PWM定时器硬件原理】

S3C2410共有5个16位的定时器，其中定时器0、1、2、3具有脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)功能，它们都有一个输出引脚TOUTi，可以通过定时器来控制输出引脚周期性的高、低电平变化，定时器4没有输出引脚，

PWM定时器使用的时钟是PCLK，先通过两个8位的预分频器(使用TCFG0寄存器来设置)降低频率，定时器0、1公用一个预分频器，定时器2、3、4公用第二个预分频器。预分频器的输出进入到第二级分频器，可以产生2分频、4分频、8分频、16分频或者外部时钟TCLK0/TCLK1，每个定时器的工作频率可以从这5种频率中选择(使用TCFG1寄存器来设置)。

PWM定时器工作流程如下：

(1).定时器有TCMPBn、TCNTBn寄存器，用于设置定时器n的初始比较值和初始计数值

(2).然后设置TCONn寄存器启动定时器n，TCMPBn、TCNTBn寄存器的值分别装入TCMPn、TCNTn寄存器，TCMPn、TCNTn是定时器内部寄存器,在定时器n的工作频率下，TCNTn开始减1计数，其值可以通过读取TCNTOn得到

(3).当TCNTn的值等于TCMPn的值时，定时器n的输出TOUTn电平反转，TCNTn继续减数

(4).当TCNTn的值到达0时，输出引脚TOUTn电平再次反转(这样就实现了PWM)，并触发定时器n的定时中断(如果定时中断使能)

(5).TCNTn到达0时，如果在TCON寄存器中将定时器n设为“自动加载”，则TCMPBn和TCNTBn自动重新装入TCMPn和TCNTn寄存器，下一个计数流程开始，

PWM定时器常用寄存器，以定时器0为例

TCFG0寄存器(TIMER CONFIGURATION)，用于控制预分频器，定时器的输入频率计算公式为：定时器工作频率=PCLK/(prescaler value+1)/(divider value)，其中prescaler value的值(预分频器)通过TCFG0寄存器设置，TCFG0[0:7]设置定时器0和定时器1的prescaler value值，TCFG0[8:15]设置定时器2、3、4的prescaler value的值，该值的范围为0~255，本例程选择定时器0的该值为99，因此该寄存器的值设置为99。divider value的值(第二级分频器)为2、4、8、16，由TCFG1寄存器设置
TCFG1寄存器(TIMER CONFIGURATION)，经预分频器得到的时钟被输入到第二级分频器，可以再次被2分频、4分频、8分频和16分频，由图6可知，定时器0、1还可以工作在外接时钟TCLK0下，定时器2、3、4还可以工作在外接时钟TCLK1下，使用TCFG1寄存器来设置这5个定时器的第二级分频器的分频数， TCFG1[20:23]用于设置5个定时器的DMA模式，TCFG1[0:3]设置定时器0的分频数。本例程中不使用定时器的DMA模式，定时器0的第二级分频选择1/16，所以该寄存器的值为0x3。
TCON寄存器(TIMER CONTROL)，TCON[0]设置定时器0的开启和停止；TCON[1]设置定时器0“手动更新”，将TCMPB0/TCNTB0的值装入内部寄存器TCMP0/TCNT0中；TCON[2]设置TOUT0是否反转；TCON[3]设置自动加载。对于本例程，使用定时器0，开启定时器、手动更新、反转、自动加载。
TCNTB0/TCMPB0/TOUT0寄存器，TCNTB0用于保存定时器初始计数值，TCMPB0用于保存比较值，TOUT0用来观察TCNT0的数值；对与本例程，TCMPB0=0，TCNTB0=15625。

【3.程序实现】

该例程一共包含8个文件，描述如下：

文件名	描述
Head.s	ARM启动代码，设置异常向量，只实现了复位异常和普通中断异常；调用存储器设置函数、调用关闭看门狗定时器函数、调用时钟初始化函数、调用定时器初始化函数、调用LED初始化函数、调用中断初始化函数，调用把代码从Step Stone拷贝到SDRAM的拷贝函数，最后调用C语言的Main函数。
init.c	初始化函数的实现，包括关闭看门狗函数的实现、时钟初始化函数的实现、存储器初始化函数的实现、把代码从Step Stone拷贝到SDRAM函数的实现、LED初始化函数的实现、定时器初始化函数的实现、中断初始化函数的实现
interrupt.c	定时器中断的中断服务程序的实现，中断服务程序的功能是每次中断改变4个LED灯的状态
interrupt.h	定时器中断的中断服务程序的头文件
s3c24xx.h	s3c2410A的头文件，主要是相关寄存器地址的定义。
main.c	主函数
Makefile	Makefile文件
timer.lds	链接脚本文件

源码

Head.S

@******************************************************************************
@Name: head.S
@Desc: 初始化，设置中断模式、系统模式的栈，设置好中断处理函数
@Parameter:
@Return:
@Author: yoyoba(stuyou@126.com)
@Date: 2011-5-26
@Modify: 2011-5-26
@*******************************************************************************

.extern main
.text
.global _start
_start:
@******************************************************************************
@ 中断向量，本程序中，除Reset和HandleIRQ外，其它异常都没有使用
@******************************************************************************
b Reset

@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址
HandleUndef:
b HandleUndef

@ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
HandleSWI:
b HandleSWI

@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址
HandlePrefetchAbort:
b HandlePrefetchAbort

@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址
HandleDataAbort:
b HandleDataAbort

@ 0x14: 保留
HandleNotUsed:
b HandleNotUsed

@ 0x18: 中断模式的向量地址
b HandleIRQ

@ 0x1c: 快中断模式的向量地址
HandleFIQ:
b HandleFIQ

Reset:
ldr sp, =4096 @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈
bl disable_watch_dog @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
bl clock_init @ 设置MPLL，改变FCLK、HCLK、PCLK
bl memsetup @ 设置存储控制器以使用SDRAM
bl copy_steppingstone_to_sdram @ 复制代码到SDRAM中
ldr pc, =on_sdram @ 跳到SDRAM中继续执行
on_sdram:
msr cpsr_c, #0xd2 @ 进入中断模式
ldr sp, =4096 @ 设置中断模式栈指针

msr cpsr_c, #0xdf @ 进入系统模式
ldr sp, =0x34000000 @ 设置系统模式栈指针，

bl init_led @ 初始化LED的GPIO管脚
bl timer0_init @ 初始化定时器0
bl init_irq @ 调用中断初始化函数，在init.c中
msr cpsr_c, #0x5f @ 设置I-bit=0，开IRQ中断

ldr lr, =halt_loop @ 设置返回地址
ldr pc, =Main @ 调用Main主函数
halt_loop:
b halt_loop

HandleIRQ:
sub lr, lr, #4 @ 计算返回地址
stmdb sp!, { r0-r12,lr } @ 保存使用到的寄存器
@ 注意，此时的sp是中断模式的sp
@ 初始值是上面设置的4096

ldr lr, =int_return @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址
ldr pc, =Timer0_Handle @ 调用中断服务函数，在interrupt.c中
int_return:
ldmia sp!, { r0-r12,pc }^ @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

init.c

/******************************************************************************
*Name: init.c
*Desc: ARM处理器硬件初始化函数实现
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
#include "s3c24xx.h"
 
void disable_watch_dog(void);
void clock_init(void);
void memsetup(void);
void copy_steppingstone_to_sdram(void);
void init_led(void);
void timer0_init(void);
void init_irq(void);

/*
 * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
 */
void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0; // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可
}

#define S3C2410_MPLL_200MHZ ((0x5c<<12)|(0x04<<4)|(0x00))
#define S3C2440_MPLL_200MHZ ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x02))
/*
 * 对于MPLLCON寄存器，[19:12]为MDIV，[9:4]为PDIV，[1:0]为SDIV
 * 有如下计算公式：
 * S3C2410: MPLL(FCLK) = (m * Fin)/(p * 2^s)
 * S3C2410: MPLL(FCLK) = (2 * m * Fin)/(p * 2^s)
 * 其中: m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV
 * 对于本开发板，Fin = 12MHz
 * 设置CLKDIVN，令分频比为：FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4，
 * FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz
 */
void clock_init(void)
{
    // LOCKTIME = 0x00ffffff; // 使用默认值即可
    CLKDIVN = 0x03; // FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4, HDIVN=1,PDIVN=1

    /* 如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */
__asm__(
    "mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" /* 读出控制寄存器 */ 
    "orr r1, r1, #0xc0000000\n" /* 设置为“asynchronous bus mode” */
    "mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" /* 写入控制寄存器 */
    );

    /* 判断是S3C2410还是S3C2440 
    GSTATUS1寄存器为通用状态寄存器，用来描述芯片ID(标识)，可以通过读取GSTATUS1寄存器
    的值来确定处理器的类型:
    0x32410000=S3C2410
    0x32410002=S3C2410A
    0x32440000=S3C2440
    0x32440002=S3C2440a
    EdukitIII实验箱使用的是S3C2410A芯片*/
    if ((GSTATUS1 == 0x32410000) || (GSTATUS1 == 0x32410002))
    {
        MPLLCON = S3C2410_MPLL_200MHZ; /* 现在，FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz */
    }
    else
    {
        MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ; /* 现在，FCLK=200MHz,HCLK=100MHz,PCLK=50MHz */
    } 
}

/*
 * 设置存储控制器以使用SDRAM
 */
void memsetup(void)
{
    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;

    /* 这个函数之所以这样赋值，而不是像前面的实验(比如mmu实验)那样将配置值
     * 写在数组中，是因为要生成”位置无关的代码”，使得这个函数可以在被复制到
     * SDRAM之前就可以在steppingstone中运行
     */
    /* 存储控制器13个寄存器的值 */
    p[0] = 0x22011110; //BWSCON
    p[1] = 0x00000700; //BANKCON0
    p[2] = 0x00000700; //BANKCON1
    p[3] = 0x00000700; //BANKCON2
    p[4] = 0x00000700; //BANKCON3 
    p[5] = 0x00000700; //BANKCON4
    p[6] = 0x00000700; //BANKCON5
    p[7] = 0x00018005; //BANKCON6
    p[8] = 0x00018005; //BANKCON7
    
    /* REFRESH,
     * HCLK=12MHz: 0x008C07A3,
     * HCLK=100MHz: 0x008C04F4
     */ 
    p[9] = 0x008C04F4;
    p[10] = 0x000000B1; //BANKSIZE
    p[11] = 0x00000030; //MRSRB6
    p[12] = 0x00000030; //MRSRB7
}

void copy_steppingstone_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc = (unsigned int *)0;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30000000;
    
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}

/*
 * LED1-4对应GPF5、GPF6、GPF7、GPF8
 */
#define GPF5_out (1<<(5*2)) // LED1
#define GPF6_out (1<<(6*2)) // LED2
#define GPF7_out (1<<(7*2)) // LED3
#define GPF8_out (1<<(8*2)) // LED4

 
void init_led(void)
{
    GPFCON = GPF5_out | GPF6_out | GPF7_out | GPF8_out ;
}

/*
 * Timer input clock Frequency = PCLK / {prescaler value+1} / {divider value}
 * {prescaler value} = 0~255
 * {divider value} = 2, 4, 8, 16
 * 本实验的Timer0的时钟频率=100MHz/(99+1)/(16)=62500Hz
 * 设置Timer0 0.5秒钟触发一次中断：
 */
void timer0_init(void)
{
    TCFG0 = 99; // 预分频器0 = 99 
    TCFG1 = 0x03; // 选择16分频
    TCNTB0 = 31250; // 0.5秒钟触发一次中断
    TCON |= (1<<1); // 手动更新
    TCON = 0x09; // 自动加载，清“手动更新”位，启动定时器0
}

/*
 * 定时器0中断使能
 */ 
void init_irq(void)
{ 
    // 定时器0中断使能
    INTMSK &= (~(1<<10));
}

interrupt.c

/******************************************************************************
*Name: interrupt.c
*Desc: 定时器0的终端服务程序
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
#include "s3c24xx.h"

void Timer0_Handle(void)
{
    /*
     * 每次中断令4个LED改变状态
     */
    if(INTOFFSET == 10)
    {
        GPFDAT = ~(GPFDAT & (0xf << 5));
    }
    //清中断
    SRCPND = 1 << INTOFFSET;
    INTPND = INTPND; 
}

interrupu.h

/******************************************************************************
*Name: interrupt.h
*Desc: 中断处理函数头文件
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
void EINT_Handle();

main.c

/******************************************************************************
*Name: Main.c
*Desc: 主函数
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
int Main(void)
{
    while(1);
    return 0;
}

Makefile

/******************************************************************************
*Name: Makefile
*Desc: 该例程的Makefile文件，使用了timer.lds链接脚本
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/

objs := head.o init.o interrupt.o main.o

timer.bin: $(objs)
    arm-linux-ld -Ttimer.lds -o timer_elf $^
    arm-linux-objcopy -O binary -S timer_elf $@
    arm-linux-objdump -D -m arm timer_elf > timer.dis
    
%.o:%.c
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
    rm -f timer.bin timer_elf timer.dis *.o

s3c24xx.h

/******************************************************************************
*Name: s3c24xx.h
*Desc: 本例程使用到的s3c2410外围寄存器地址定义
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
/* WOTCH DOG register */
#define WTCON (*(volatile unsigned long *)0x53000000)

/* SDRAM regisers */
#define MEM_CTL_BASE 0x48000000
#define SDRAM_BASE 0x30000000

/*GPIO registers*/

#define GPFCON (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPFUP (*(volatile unsigned long *)0x56000058)

/*interrupt registes*/
#define SRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000000)
#define INTMOD (*(volatile unsigned long *)0x4A000004)
#define INTMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A000008)
#define PRIORITY (*(volatile unsigned long *)0x4A00000c)
#define INTPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000010)
#define INTOFFSET (*(volatile unsigned long *)0x4A000014)
#define SUBSRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000018)
#define INTSUBMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A00001c)

/*external interrupt registers*/
#define EINTMASK (*(volatile unsigned long *)0x560000a4)
#define EINTPEND (*(volatile unsigned long *)0x560000a8)

/*clock registers*/
#define    LOCKTIME        (*(volatile unsigned long *)0x4c000000)
#define    MPLLCON        (*(volatile unsigned long *)0x4c000004)
#define    UPLLCON        (*(volatile unsigned long *)0x4c000008)
#define    CLKCON        (*(volatile unsigned long *)0x4c00000c)
#define    CLKSLOW        (*(volatile unsigned long *)0x4c000010)
#define    CLKDIVN        (*(volatile unsigned long *)0x4c000014)


/*PWM & Timer registers*/
#define    TCFG0        (*(volatile unsigned long *)0x51000000)
#define    TCFG1        (*(volatile unsigned long *)0x51000004)
#define    TCON        (*(volatile unsigned long *)0x51000008)
#define    TCNTB0        (*(volatile unsigned long *)0x5100000c)
#define    TCMPB0        (*(volatile unsigned long *)0x51000010)
#define    TCNTO0        (*(volatile unsigned long *)0x51000014)

#define GSTATUS1 (*(volatile unsigned long *)0x560000B0)

timer.lds

/******************************************************************************
*Name: timer.lds
*Desc: 链接脚本文件，该程序的运行地址为0x30000000，该地址为SDRAM的起始地址，即该程序最终是放在SDRAM中执行
*Parameter:
*Return:
*Author: yoyoba(stuyou@126.com)
*Date: 2011-5-26
*Modify: 2011-5-26
********************************************************************************/
SECTIONS {
    . = 0x30000000;
    .text : { *(.text) }
    .rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)} 
    .data ALIGN(4) : { *(.data) }
    .bss ALIGN(4) : { *(.bss) *(COMMON) }
}

使用Makefile编译，生成timer.bin可执行程序，把该程序通过实验箱配套的FLASH编程器写入到NAND FLASH中（注意：SW104短接），NAND FLASH配置文件可以使用NAND FLASH烧写VIVI的配置文件，FLASH扇区设置为1-2。烧写完成，重新启动开发板，head.s中的代码首先被运行，第一条指令为b reset，跳转到reset标号所在位置，首先调用函数对ARM所用的硬件进行初始化，初始化完成后，进入Main函数，Main函数是一个死循环，不做什么工作，这个时候如果定时器0从设定值减少到0时，就会产生定时器0中断，然后进入到定时器中断服务程序，定时器中断服务程序的功能是改变4个LED的状态，这样每次定时器0中断，LED灯的状态都会被改变一次。

Fiber+EmbeddedLinux

游走在光纤通信和嵌入式开发之间。。。

S3C2410系统时钟和定时器

开发环境

【1.系统时钟硬件原理】

【2.PWM定时器硬件原理】

【3.程序实现】

源码