硬件开发2-ARM裸机开发3-I.MX6ULL - 时钟、定时器

一、基本概要

1、定时器 (EPIT GPT)：

是一个通过对已知频率的时钟信号进行计数，来实现定时、延时或事件计数功能的硬件模块或软件机制。

定时器是嵌入式系统中常用的外设，用于完成精准定时、周期性中断、输入捕获和输出比较等功能。在i.MX6UL等嵌入式SoC中，主要提供了两种定时器：EPIT(增强型周期中断定时器)和GPT(通用定时器)。

（1）EPIT：

概念：
- EPIT全称为Enhanced Periodic Interrupt Timer，即增强型周期中断定时器，是i.MX6UL处理器中的一种专用定时器
主要特性：
- 32位向下计数器：计数器从设定值开始递减，直到减为0
- 可选时钟源：ipg_clk(66MHz)、ipg_clk_32k和ipg_clk_highfreq？
- 12位分频器：分频值范围0-4095，对应1-4096分频？
- 比较中断功能：当计数值与比较寄存器值相等时产生中断？
- 两种工作模式 ：set-and-forget模式和free-running模式， 通过控制寄存器EPITx_CR的RLD位设置
工作模式：
- set-and-forget模式：
  - 计数器从加载寄存器(EPITx_LR)中获取初始值
  - 不能直接向计数寄存器(EPIT_CNR)写入数据
  - 当计数器减到0时，自动从加载寄存器重新加载数据到计数器，循环往复
  - 适用于需要精确周期定时中断的应用场景
- free-running模式：
  - 计数器减到0后会重新从0xFFFFFFFF开始计数
  - 不从加载寄存器获取数据
  - 适用于需要连续运行但不需精确重载的场景
主要寄存器组
- EPITx_CNR(计数寄存器)：反映当前计数值
- EPITx_CMPR(比较寄存器)：设置比较值
- EPITx_LR(加载寄存器)：设置重载值
- EPITx_SR(状态寄存器)：包含中断标志位
- EPITx_CR(配置寄存器)：设置时钟源、分频值、工作模式、使能定时器等

（2）GPT：

概念：
- GPT全称为General Purpose Timer，即通用定时器，是比EPIT功能更丰富的定时器模块
主要特性：
- 32位向上计数器：从0x00000000开始递增计数
- 多路时钟源选择：ipg_clk_24M、GPT_CLK(外部时钟)、ipg_clk(66MHz)、ipg_clk_32k和ipg_clk_highfreq
- 12位分频器：分频值范围0-4095，对应1-4096分频
- 输入捕获功能：2路输入捕获通道，可设置上升沿/下降沿触发
- 输出比较功能：3路输出比较通道，可设置输出模式
- 丰富的中断源：捕获中断、比较中断和溢出中断
- 两种工作模式：Restart(重启)模式和Free-Run(自由运行)模式
工作模式：
- Restart（重启）模式：
  - 比较事件发生后计数器重新计数
  - 当计数值与比较寄存器1(OCR1)的值相等时，计数器清零并重新开始计数
  - 仅比较通道1有此功能，通道2和3无此功能
  - 向比较寄存器1写入任何数据都会复位计数器
  - 适用于需要精确周期重置的应用
- Free-Run（自由运行）模式：
  - 比较事件发生后计数器继续计数
  - 比较事件发生后计数器继续计数，直到0xFFFFFFFF后回滚到0x00000000
  - 适用于所有三个比较通道
  - 适用于需要连续运行且不中断计数的场景
主要寄存器组
- GPTx_CR(控制寄存器)：配置时钟源、工作模式、使能定时器等
  - SWR(bit15)：软件复位位
  - FRR(bit9)：工作模式选择(0=Restart，1=Free-Run)
  - CLKSRC(bit8:6)：时钟源选择
  - ENMOD(bit1)：使能模式(关闭时是否清零计数器)
  - EN(bit0)：定时器使能位
- GPTx_PR(分频寄存器)：设置12位分频值
- GPTx_SR(状态寄存器)：包含各种中断标志位
  - ROV(bit5)：计数器回滚标志
  - IF1/IF2(bit4:3)：输入捕获中断标志
  - OF1-OF3(bit2:0)：输出比较中断标志
- GPTx_IR(中断寄存器)：控制各种中断的使能
- GPTx_OCR1-3(输出比较寄存器)：设置3路比较值
- GPTx_ICR1-2(输入捕获寄存器)：保存捕获值
- GPTx_CNT(计数寄存器)：反映当前计数值

（3）比较EPIT、GPT

特性	EPIT定时器	GPT定时器
计数器方向	向下计数	向上计数
时钟源	3种(ipg_clk等)	5种(ipg_clk_24M等)
分频器	12位(1-4096分频)	12位(1-4096分频)
工作模式	set-and-forget/free-running	restart/free-run
输入捕获	不支持	2通道
输出比较	不支持	3通道
中断类型	比较中断	捕获/比较/溢出中断
主要用途	周期定时(按键消抖、周期性任务中断)	通用定时/捕获/PWM (高精度延时)

总结
- **EPIT：**更适合简单的周期性定时中断应用，结构简单，配置方便
- **GPT：**功能更为丰富，支持输入捕获、输出比较等多种功能，适合更复杂的定时需求

2、时钟(clock)：

在电子系统中是一个产生稳定、周期性振荡信号的电路或组件。这个信号像节拍器或心跳一样，为数字电路中的各种操作提供同步时序基准；

在ARM裸机开发中，时钟系统是整个SoC运行的基础，它像"心跳"一样为CPU内核、总线及外设提供同步时序基准；

时钟在SoC中的作用：

同步控制：协调CPU、总线和外设的操作时序

频率调节：通过倍频/分频为不同部件提供合适的工作频率

功耗管理：通过动态调整时钟频率实现节能

时间基准：为定时器、RTC等提供时间计量基础

时钟信号的获取方式

外部输入时钟信号（通过芯片引脚）

外部晶振+内部时钟发生器

外部晶振+内部PLL倍频+内部分频器

（1）时钟数

时钟根：时钟根"（Clock Root）是时钟树（Clock Tree）中的核心节点，通常作为时钟信号的起始点或关键分发节点，负责将时钟信号分配到整个系统或芯片的各个部分; 时钟根是时钟树的源头，可以是外部晶振、内部振荡器、PLL输出或其他时钟生成模块的输出端

（2）时钟树综合与分配

外部晶振信号通过时钟树的倍频、分频和分配，转化为多频段时钟信号，满足从ARM内核到各类外设的时序需求；

外部激励->经过时钟数->产生合适的频率
时钟树综合与分配工作-简单分析图