Kinetis系列MCU時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置研究*

蔣建武,王宜懷

(蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

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Kinetis系列MCU時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置研究*

蔣建武1,2,王宜懷1*

(蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

內(nèi)嵌ARM?CortexTM-M核的Kinetis系列微控制器具有復(fù)雜的時(shí)鐘系統(tǒng),時(shí)鐘系統(tǒng)中多功能時(shí)鐘發(fā)生器、鎖相環(huán)、鎖頻環(huán)、晶振系統(tǒng)等功能模塊協(xié)調(diào)工作時(shí)能為應(yīng)用系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源。通過(guò)對(duì)K60時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置方法的剖析,以及對(duì)多功能時(shí)鐘發(fā)生器運(yùn)行機(jī)制的梳理,提出了時(shí)鐘源性能的測(cè)試方法以及芯片系統(tǒng)各功能模塊時(shí)鐘源的選擇方法,為Kinetis相關(guān)芯片應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)鐘系統(tǒng)配置以及時(shí)鐘源選擇提供了借鑒與參考。

微控制器;時(shí)鐘系統(tǒng);運(yùn)行機(jī)制;多功能時(shí)鐘發(fā)生器

自2010年Freescale公司推出了基于ARM?CortexTM-M4內(nèi)核的Kinetis K系列芯片[1]后又推出多款A(yù)RM核的32位MCU,2014年又將推出ARM?CortexTM-M4內(nèi)核與RF收發(fā)器相結(jié)合應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)的W系列芯片。芯片的功能越強(qiáng)大對(duì)其時(shí)鐘系統(tǒng)的要求也越高,合理而高效地配置時(shí)鐘系統(tǒng)可極大提升嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性,并在低功耗模式下有效地降低系統(tǒng)功耗。Kinetis系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)具有內(nèi)外參考時(shí)鐘接受寬泛的頻率輸入[1-2],內(nèi)置多功能的時(shí)鐘發(fā)生器提供多種的時(shí)鐘源備選,強(qiáng)大的門控功能啟停各功能模塊時(shí)鐘。復(fù)雜而有效的時(shí)鐘系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、多功能等優(yōu)異特性提供保證,但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和縝密的配置過(guò)程使得掌握并靈活應(yīng)用時(shí)鐘系統(tǒng)為應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供穩(wěn)定而高效的時(shí)鐘具有一定的難度。針對(duì)Kinetis系列芯片課題組做了深入的研究,在《嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐-ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器》一書中對(duì)MK60DN512ZVMD10(以下簡(jiǎn)稱K60)時(shí)鐘系統(tǒng)做了闡述[3],很多讀者在應(yīng)用過(guò)程中仍然對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置有很多困惑;在《FreescalKinetis L系列MCU的時(shí)鐘運(yùn)行機(jī)制分析與編程方法》一文中同課題組的朱仕浪分析了MKL25Z128VLK4(以下簡(jiǎn)稱KL25)時(shí)鐘系統(tǒng)的配置與使用[4]。以下將以K60為例剖析Kinetis系列MCU時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行機(jī)制,給出內(nèi)外參考時(shí)鐘選擇依據(jù)與其配置方法,分析MCG模塊各運(yùn)行模式的特性和模式狀態(tài)遷移過(guò)程,最后提出各時(shí)鐘源性能分析方法并歸納系統(tǒng)模塊對(duì)時(shí)鐘源的選擇配置方法。

1 K60時(shí)鐘系統(tǒng)

1.1 內(nèi)部與外部參考時(shí)鐘

K60芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)包含2路內(nèi)部參考時(shí)鐘和2路外部參考時(shí)鐘。內(nèi)部參考時(shí)鐘分為高頻4 MHz和低頻32 kHz,可作為MCU的時(shí)鐘源或可選外設(shè)時(shí)鐘MCGIRCLK。1路外部參考時(shí)鐘通過(guò)系統(tǒng)振蕩器利用外部引腳XTAL與EXTAL接入時(shí)鐘系統(tǒng),支持低頻32 kHz或高頻3 MHz～8 MHz和8 MHz～32 MHz,其可作為MCU的時(shí)鐘源或可選外設(shè)時(shí)鐘OSCERCLK和ERCLK32K[5]。另一路外部參考時(shí)鐘通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘專用振蕩器RTC OSC(Real Time Clock Oscillator)利用外部引腳XTAL32與EXTAL32接入時(shí)鐘系統(tǒng),該路通常接入32.768 kHz晶振,為RTC模塊提供穩(wěn)定的RTC時(shí)鐘源并為其他外設(shè)模塊提供ERCLK32K時(shí)鐘源。

圖1 K60時(shí)鐘系統(tǒng)

1.2 多功能時(shí)鐘發(fā)生器

時(shí)鐘系統(tǒng)的內(nèi)部參考時(shí)鐘和外部參考時(shí)鐘均接入多功能時(shí)鐘發(fā)生器MCG(Multipurpose Clock Generator),通過(guò)MCG模塊通過(guò)內(nèi)部包含的一個(gè)鎖頻環(huán)FLL(Frequency-Locked Loop)和一個(gè)鎖相環(huán)PLL(Phase-Locked Loop)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)參考時(shí)鐘倍頻,前者可接收內(nèi)外參考時(shí)鐘作為時(shí)鐘源,后者僅能使用外部參考時(shí)鐘。時(shí)鐘系統(tǒng)可選擇PLL輸出(MCGPLLCLK),FLL輸出(MCGFLLCLK),外部參考時(shí)鐘和內(nèi)部參考時(shí)鐘4個(gè)時(shí)鐘源之一作為當(dāng)前時(shí)鐘輸出MCGOUTCLK[6]。

1.3 電源管理器

電源管理器PMC(Power Management Controller)作為獨(dú)立的模塊可產(chǎn)生1 kHz的信號(hào)作為系統(tǒng)外設(shè)時(shí)鐘LPO。

1.4 系統(tǒng)集成模塊

以上所產(chǎn)生的多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)集成模塊SIM(System Integration Module)分配到各個(gè)指定的系統(tǒng)功能模塊上,例如:WatchDog、USB、Ethernet、SHDC、I2S等[7],時(shí)鐘產(chǎn)生電路CG(Clock Generator)也實(shí)現(xiàn)了模塊專用的時(shí)鐘門控邏輯,允許通過(guò)停止供應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)關(guān)閉模塊的功能。同時(shí)CG模塊還提供了4個(gè)時(shí)鐘分頻器(OUTDIV1～OUTDIV4),通過(guò)不同分頻使得在同一個(gè)MCGOUTCLK時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)的情況下4個(gè)系統(tǒng)模塊時(shí)鐘,即內(nèi)核/系統(tǒng)時(shí)鐘、總線時(shí)鐘、FlexBus時(shí)鐘和Flash存儲(chǔ)器時(shí)鐘可運(yùn)行在不同的頻率上由此實(shí)現(xiàn)各模塊以較低的頻率工作以便降低功耗[8]。

2 時(shí)鐘系統(tǒng)配置

2.1 內(nèi)部與外部參考時(shí)鐘選擇

MCG_C1[CLKS]用于選擇內(nèi)部與外部參考時(shí)鐘源,CLKS=01選擇內(nèi)部參考時(shí)鐘,CLKS=10選擇外部參考時(shí)鐘;MCG_C2[IRCS]用于選擇內(nèi)部快慢參考時(shí)鐘,IRCS=0,選擇慢內(nèi)部參考時(shí)鐘32 kHz晶振,IRCS=1,選擇快內(nèi)部參考時(shí)鐘4M晶振;SIM_SOPT2[MCGCLKSEL]用于選擇外部參考時(shí)鐘,MCGCLKSEL=0選擇系統(tǒng)振蕩器OSC,MCGCLKSEL=1選擇實(shí)時(shí)時(shí)鐘振蕩器RTC OSC。

2.2 鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)選擇

MCG_C6[PLLS]用于選擇鎖相環(huán)FLL和鎖頻環(huán)PLL,PLLS=0,選擇FLL,PLLS=1,選擇PLL。MCG_C1[FRDIV]為FLL外部參考時(shí)鐘分頻因子,與MCG_C2[RANGE]共同決定取值范圍從1至1 024;MCG_C5[PRDIV]為PLL外部參考時(shí)鐘分頻因子,取值范圍從1至25;MCG_C6[VDIV]為PLL壓控晶振(VCO)倍頻因子,取值范圍從24至55。

3 MCG運(yùn)行機(jī)制分析

3.1 MCG時(shí)鐘運(yùn)行模式

時(shí)鐘運(yùn)行模式根據(jù)MCG的鎖頻環(huán)(FLL)或鎖相環(huán)(PLL)工作情況,選用的參考時(shí)鐘以及輸出的時(shí)鐘是否供給MCGOUTCLK進(jìn)行定義和分類[9]。例如,PLL工作時(shí),選用外部參考時(shí)鐘,并將鎖頻輸出時(shí)鐘MCGPLLCLK提供給MCGOUTCLK,此時(shí)MCG時(shí)鐘模式稱為PEE(PLL外部忙碌);若PLL輸出的時(shí)鐘不提供給MCGOUTCLK,而是由外部參考OSCCLK時(shí)鐘送到MCGOUTCLK,此時(shí)MCG時(shí)鐘模式稱為PBE(PLL外部旁路),其它時(shí)鐘模式的含義以此類推。MCG共有9種時(shí)鐘運(yùn)行模式:FEI、FEE、FBI、FBE、PBE、PEE、PEE、BLPI、BLPE和STOP,模式切換需要遵守圖2所示的MCG轉(zhuǎn)換規(guī)則,圖中任一狀態(tài)可轉(zhuǎn)換到停止態(tài)(STOP),圖示箭頭表明允許的MCG模式轉(zhuǎn)換方向。9種時(shí)鐘運(yùn)行模式可分為4種工作狀態(tài),即初始態(tài):復(fù)位后初始狀態(tài),中間態(tài):MCGOUTCLK時(shí)鐘源不是由FLL/PLL輸出提供,而是由相應(yīng)參考時(shí)鐘提供,工作態(tài):MCGOUTCLK時(shí)鐘源正常工作時(shí)由FLL/PLL輸出,低功耗時(shí)由內(nèi)外參考時(shí)鐘提供,停止態(tài):MCG停止工作,表1給出了各種模式與工作狀態(tài)的關(guān)系[10]。

表1 時(shí)鐘運(yùn)行模式與工作狀態(tài)關(guān)系

表2 時(shí)鐘配置推薦值

3.2 MCG運(yùn)行狀態(tài)切換編程方法

由圖2 MCG模式狀態(tài)圖可知系統(tǒng)復(fù)位后首先進(jìn)入默認(rèn)FEI運(yùn)行模式,該模式使用內(nèi)部32 kHz慢參考時(shí)鐘,640倍倍頻后可得20.97 MHz時(shí)鐘信號(hào),可滿足系統(tǒng)基本運(yùn)行的需求。當(dāng)需要更高的頻率(例如配置為100 M網(wǎng)卡,系統(tǒng)時(shí)鐘至少50 MHz,K60數(shù)據(jù)手冊(cè)5.3.1節(jié)[2]),必須使用FLL或PLL倍頻。與FLL相比,PLL具有防噪聲、防抖動(dòng)的功能,具有更高的精度;所以系統(tǒng)啟動(dòng)后一般配置切換到PEE(PLL外部忙碌)模式。以下將以表2中給出的常用推薦時(shí)鐘配置為例介紹MCG時(shí)鐘模式FEI->FBE->PBE->PEE的狀態(tài)切換過(guò)程[11]。

圖2 MCG模式狀態(tài)圖

對(duì)K60芯片MCG進(jìn)行狀態(tài)切換時(shí)需要滿足以下基本條件[1]:

(1)Core/system bus≤100 MHz;(2)bus clock≤50 MHz,且必須是Core/systembus的整數(shù)分頻;(3)Flash bus≤25 MHz,且必須是bus clock的整數(shù)分頻;(4)FlexBus≤bus clock。

對(duì)時(shí)鐘源的配置按照以下步驟完成:

(1)將外部時(shí)鐘分頻為2 MHz～4 MHz之間的一個(gè)頻率,輸入給PLL,該分頻因子由MCG_C5寄存器的PRDIV決定。(2)PLL內(nèi)部的壓控振蕩器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)將輸入的時(shí)鐘倍頻,倍頻后即得到MCGOUTCLK[12]。(3)通過(guò)SIM模塊的SIM_CLKDIV1寄存器,將MCGOUTCLK時(shí)鐘分頻成不同的時(shí)鐘域,供內(nèi)核、系統(tǒng)、總線、FlexBux和Flash使用。

圖3給出了一個(gè)PLL初始化FEI->FBE->PBE->PEE狀態(tài)切換的執(zhí)行實(shí)例。關(guān)于MCG模式狀態(tài)切換路徑的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程,對(duì)此研究將另文分析,在此不再贅述。

圖3 PLL初始化執(zhí)行流程

4 時(shí)鐘源性能分析

4.1 時(shí)鐘源頻率測(cè)量方法

外部參考時(shí)鐘可直接測(cè)量外部接入引腳XTAL和XTAL32;在K60芯片中PTA6可以配置為TRACE_CLKOUT功能用于輸出當(dāng)前時(shí)鐘MCGOUTCLK和內(nèi)核時(shí)鐘Core/System CLK;FlexBus時(shí)鐘可通過(guò)將PTC3配置為FB_CLKOUT輸出;RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTCCLK可將PTE26配置為RTC_CLKOUT輸出。在Kinetis L系列MCU芯片中PTC3可配置為CLKOUT功能,用于輸出總線時(shí)鐘Bus Clock、LPO、內(nèi)部參考時(shí)鐘MCGIRCLK、外部參考時(shí)鐘OSCERCLK;RTC_CLKOUT輸出功能通過(guò)配置PTE0實(shí)現(xiàn)[13]。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在蘇州大學(xué)飛思卡爾嵌入式中心SD-FSL-K60-C評(píng)估板上完成,利用TEK TDS2024B示波器測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中通道1(CH1)測(cè)量外部參考輸入ETAL,通道2利用SIM_SOPT2[TRACECLKSEL]將TRACE_CLKOUT分別配置成MCGOUTCLK和Core/System CLK,通道3測(cè)量系統(tǒng)FlexBus信號(hào)FB_CLK;圖4中外部參考時(shí)鐘50 MHz,MCGOUTCLK以PLL為時(shí)鐘源,配置為96 MHz,MCGOUTCLK∶Core/SystemCLK∶BusCLK∶FlexBus∶FlashBus=4∶2∶2∶2∶1;圖5中外部參考時(shí)鐘50MHz,MCGOUTCLK以PLL為時(shí)鐘源,配置為192.3MHz,MCGOUTCLK∶Core/SystemCLK∶BusCLK∶FlexBus∶FlashBus=4∶2∶2∶2∶1。

圖4 時(shí)鐘源測(cè)試數(shù)據(jù)1

圖5 時(shí)鐘源測(cè)試數(shù)據(jù)2

5 系統(tǒng)功能模塊時(shí)鐘源選擇分析

K60時(shí)鐘系統(tǒng)為系統(tǒng)功能模塊和外設(shè)模塊提供了10多個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘源供各功能模塊使用,各時(shí)鐘源具體含義可參見(jiàn)表3。

各模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求可通過(guò)表4所示的配置寄存器設(shè)置各自的時(shí)鐘源。除了以上通用的時(shí)鐘源,為了滿足一些特殊模塊(Ethernet、USB、SDHC和I2S)的時(shí)鐘要求,還為其各自設(shè)置了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源接口,可直接外接信號(hào)供相應(yīng)模塊使用,各時(shí)鐘源的配置方法詳見(jiàn)表3[10]。串行通信模塊UART0和UART1使用Core/system clock時(shí)鐘源,其他串口模塊使用Bus clock時(shí)鐘源[14]。

表3 K60內(nèi)部時(shí)鐘源

6 總結(jié)語(yǔ)

Kinetis系列MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)可以通過(guò)內(nèi)外參考時(shí)鐘將頻率信號(hào)源接入芯片,由多功能時(shí)鐘發(fā)生器MCG為各功能模塊提供多個(gè)時(shí)鐘源,利用門控模塊啟停系統(tǒng)功能模塊時(shí)鐘和時(shí)鐘分配機(jī)制為各功能模塊在滿足要求的前提下選擇較低的工作頻率,用以保證其能穩(wěn)定工作且功耗降低。關(guān)于MCG運(yùn)行模式遷移選擇以及時(shí)鐘的有效性與電源模式(即低功耗模式)的關(guān)系等問(wèn)題將在后繼的工作中進(jìn)一步分析研究。

[1]Freescale. K60 Sub-Family Reference Manual Rev.6,2011[EB/OL]. http://www.Freescale.com.

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蔣建武(1979-),男,高級(jí)工程師,蘇州大學(xué)在讀博士。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),47955024@qq.com;

王宜懷(1962-),男,博士、博導(dǎo),蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授,蘇州大學(xué)嵌入式仿生智能研究所副所長(zhǎng),蘇州市政協(xié)委員,中國(guó)軟件行業(yè)協(xié)會(huì)嵌入式系統(tǒng)分會(huì)理事。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、傳感網(wǎng)與智能控制技術(shù),Yihuaiw@suda.edu.cn。

ResearchonClockSystemStructureandConfigurationofKinetisSeriesMCU*

JIANGJianwu1,2,WANGYihuai1*

(1.School of Computer Science and Technology,Soochow University,Suzhou Jiangsu 215006,China;2.Department of Electronic and Information Engineering,Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China)

Kinetis series of MCUs embedded the core of ARM?CortexTM-M contains a complex clock system. At the time of each functional module in the clock system which includs multi-function clock generator,phase-locked loop,frequency-locked loopand crystal vibration system,coordinated work,the clock system can provide a stable clock source for the application system. Based on the analysis of the structure and configuration method of K60 clock system and the MCG operating mechanism,the testing method of clock source performance and the clock source selection method of each function modules are proposed. All of above provides references for Kinetis related chips clock system configuration in the process of application design as well as the clock source selection.

MCU(Micro Control Unit);clock system;MCG(Multiple Clock Generator)

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61070169);泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院碩博基金項(xiàng)目(TZYBS-14-5)

2014-08-27修改日期:2014-09-28

TP368.1

:A

:1005-9490(2014)06-1172-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.033