ARM架构——时钟系统与定时器详解

一、时钟系统基础

[1.1 基本概念](#1.1 基本概念)

[1.2 时钟系统核心组件](#1.2 时钟系统核心组件)

[1.2.1 时钟源](#1.2.1 时钟源)

[1.2.2 时钟树关键组件](#1.2.2 时钟树关键组件)

二、时钟系统代码实现

[2.1 关键时钟计算](#2.1 关键时钟计算)

[2.2 时钟初始化](#2.2 时钟初始化)

三、定时器模块详解

[3.1 EPIT 定时器](#3.1 EPIT 定时器)

[3.2 GPT定时器](#3.2 GPT定时器)

四、总结

一、时钟系统基础

1.1 基本概念

**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。
**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。
**实时时钟（RTC, real time clock）：**是微处理器中的一个功能模块，用于在系统主电源关闭的情况下，继续提供精确的日历和时间信息。

1.2 时钟系统核心组件

1.2.1 时钟源

时钟源是整个时钟系统的起点，提供稳定的原始时钟信号。

晶体振荡器：将石英晶体切割成音叉，施加电压产生稳定震荡
通常使用 8MHz 或 24MHz 的晶振作为基础时钟源

1.2.2 时钟树关键组件

ARM架构的时钟系统由多个关键组件构成，形成一个复杂的时钟树：
IMX6ULL时钟树

组件	作用	代码示例
PLL（锁相环）	倍频，将低频时钟提升到更高频率	`CCM_ANALOG->PLL_ARM`
Prescale（分频器）	分频，将高频时钟降低到所需频率	`CCM->CACRR`
PFD（相位分数分频器）	输出频率可升可降，提供更灵活的频率选择	`CCM_ANALOG->PFD_528`
MUX（多路选择器）	选择不同的时钟源	`CCM->CBCMR`、`CCM->CSCMR1`
CG门（Clock Gating	控制时钟门控，节省功耗	`CCM->CCGR0`-`CCM->CCGR6`

二、时钟系统代码实现

2.1 关键时钟计算

IMX6ULL时钟树

ARM 内核时钟 ：通过PLL倍频提升到高频率。
- PLL1 倍频系数 88（24MHz×88=2112MHz）→ 二分频 → 1056MHz（可通过 CACRR 寄存器调整分频系数）；
AHB 总线时钟 ：系统总线时钟，用于处理器和外设。
- PLL2 输出 528MHz → 4 分频 → 132MHz（CBCDR 寄存器的 AHB_PODF 配置）；
IPG 总线时钟 ：外设接口时钟，用于GPIO、UART等外设。
- AHB 时钟 132MHz → 2 分频 → 66MHz（CBCDR 寄存器的 IPG_PODF 配置）；
PERCLK时钟 ：外设时钟，用于定时器、ADC等。
- AHB 时钟 132MHz → 2 分频 → 66MHz（CSCMR1 寄存器的 PERCLK_PODF 配置）。

2.2 时钟初始化

cpp 复制代码

void clock_init(void)
{
  // ARM内核时钟切换（避免配置PLL时内核故障）
  CCM->CCSR &= ~(1 << 8);  // 选择osc_clk作为step_clk（24MHz）
  CCM->CCSR |= (1 << 2);   // 让ARM暂时工作在step_clk（24MHz）
  
  // 配置ARM内核分频器（CACRR）
  CCM->CACRR &= ~(7 << 0);
  CCM->CACRR |= (1 << 0);  // 二分频（后续PLL1输出1056MHz，分频后528MHz）
  
  // 配置PLL1（ARM PLL）为1056MHz
  unsigned int t = CCM_ANALOG->PLL_ARM;
  t &= ~(3 << 4);          // 清除原有倍频系数
  t |= (1 << 13);          // 使能PLL
  t &= ~(0x7F << 0);
  t |= (88 << 0);          // 倍频系数88（24×88=2112MHz，二分频后1056MHz）
  CCM_ANALOG->PLL_ARM = t;
  CCM->CCSR &= ~(1 << 2);  // 切换回PLL1输出（pll1_main_clk）
  
  // 配置PLL2（528MHz）的PFD分频器
  t = CCM_ANALOG->PFD_528;
  t &= ~((0x3F << 0) | (0x3F << 8) | (0x3F << 16) | (0x3F << 24));
  // PFD0=27→352M，PFD1=16→594M，PFD2=24→396M，PFD3=32→297M
  t |= ((27 << 0) | (16 << 8) | (24 << 16) | (32 << 24));
  CCM_ANALOG->PFD_528 = t;
  
  // 配置PLL3（480MHz）的PFD分频器
  t = CCM_ANALOG->PFD_480;
  t &= ~((0x3F << 0) | (0x3F << 8) | (0x3F << 16) | (0x3F << 24));
  t |= ((27 << 0) | (16 << 8) | (24 << 16) | (32 << 24));
  CCM_ANALOG->PFD_480 = t;
  
  // 配置AHB_CLK_ROOT（132M）
  t = CCM->CBCMR;
  t &= ~(3 << 18);
  t |= (1 << 18);          // 选择PLL2_PFD2（396M）作为输入
  CCM->CBCMR = t;
  t = CCM->CBCDR;
  t &= ~(1 << 25);
  t &= ~(7 << 10);
  t |= (2 << 10);          // AHB分频系数3（396M/3=132M）
  CCM->CBCDR = t;
  
  // 配置IPG_CLK_ROOT（66M）
  t &= ~(3 << 8);
  t |= (1 << 8);           // IPG分频系数2（132M/2=66M）
  CCM->CBCDR = t;
  
  // 配置PERCLK_CLK_ROOT（66M）
  t = CCM->CSCMR1;
  t &= ~(1 << 6);          // 选择IPG_CLK_ROOT作为输入
  t &= ~(0x3F << 0);       // 不分频
  CCM->CSCMR1 = t;
  
  // 使能所有外设时钟门控（CG）
  clock_cg_init();
}

时钟配置关键注意事项：

时钟切换顺序：配置 PLL1 时，必须先将 ARM 内核切换到 24MHz 的 step_clk，避免倍频过程中内核因时钟突变而故障；
分频系数匹配：外设时钟必须与器件手册要求一致（如 USB 需 480MHz，以太网需特定频率），否则会导致外设工作异常；
时钟门控使能：clock_cg_init() 函数将所有 CCGR 寄存器置为 0xFFFFFFFF，即开启所有外设时钟，实际项目中可按需关闭未使用外设的时钟以降低功耗。

三、定时器模块详解

3.1 EPIT 定时器

Enhanced Periodic Interrupt Timer ------ 增强型周期中断定时器

**应用场景：**周期性任务，如 1 秒翻转一次 LED。

工作原理：

定时器根据配置的时钟源进行计数。
当计数达到 LR (Load Register) 设定的值时，产生中断，并将计数器自动重置为 LR 值。

实验： 1秒中断翻转 LED

使用 PERCLK_CLK_ROOT (66MHz) 作为时钟源。

目标频率：1Hz（即每1秒一次）。
1秒中断的计算：1000 * 1000 = 1MHz（1MHz时钟，100万计数=1秒）
代码实现：

cpp 复制代码

void epit1_init(void)
{
    unsigned int t;
    t = EPIT1->CR;
    t &= ~(3 << 24);    // 清除时钟源选择
    t |= (1 << 24);     // 选择PERCLK_CLK_ROOT（66M）作为时钟源
    t |= (1 << 17);     // 覆盖计数器值
    t &= ~(0xFFF << 4); // 清除预分频值
    t |= (65 << 4);     // 分频系数66（66M/66=1MHz）
    t |= (1 << 3);      // 计数器达到零时，从模数寄存器重新加载（置位-遗忘模式）
    t |= (1 << 2);      // 启用中断
    t |= (1 << 1);      // 从加载值开始计数
    EPIT1->CR = t;
    
    EPIT1->LR = 1000 * 1000;  // 载入值 = 1MHz时钟，1秒
    EPIT1->CMPR = 0;          // 比较寄存器
    EPIT1->CNR = 1000 * 1000; // 当前计数值
    
    // 中断配置
    GIC_EnableIRQ(EPIT1_IRQn);
    GIC_SetPriority(EPIT1_IRQn, 0);
    system_interrupt_register(EPIT1_IRQn, epit_irq_handler);
    
    EPIT1->CR |= (1 << 0); // 使能定时器
}

// 中断服务函数：1s翻转LED和蜂鸣器
void epit_irq_handler(void)
{
  if ((EPIT1->SR & (1 << 0)) != 0)
  {
    led_nor();
    beep_nor();
    EPIT1->SR |= (1 << 0); // 清除中断标志
  }
}

3.2 GPT定时器

General Purpose Timer ------ 通用目的定时器

**应用场景：**高精度延时函数。

**工作原理：**GPT 支持自由运行模式、输入捕获和比较输出。我们利用其自由运行模式读取当前计数值来实现软件延时。

实验： 精准延时

通过读取 GPT1->CNT 寄存器，对比当前值与上一次的值，累加时间差，直到达到所需的微秒数。

代码实现：

cpp 复制代码

void gpt1_init(void)
{
    // 复位定时器
    reset_fun();
    
    unsigned int t;
    t = GPT1->CR;
    t &= ~(7 << 26);  // 输出断开
    t &= ~(3 << 18);  // 捕获已禁用
    t |= (1 << 9);    // 自由运行模式
    t &= ~(7 << 6);   // 清除时钟源选择
    t |= (1 << 6);    // 选择PERCLK_CLK_ROOT（66M）作为时钟源
    t &= ~(1 << 1);   // 失能定时器后保留原来的值
    GPT1->CR = t;
    
    GPT1->PR &= ~(0xFFF << 0); // 清除预分频值
    GPT1->PR |= (65 << 0);     // 分频系数66（66M/66=1MHz）
    GPT1->CNT = 0;             // 清零计数器
    GPT1->CR |= (1 << 0);      // 使能定时器
}

// 微秒级延时函数
void delay_us(unsigned int us)  
{  
    unsigned int count = 0;  
    unsigned int old_count = 0, new_count = 0;  
    
    old_count = GPT1->CNT; // 记录起始时刻  
    while (1)  
    {  
        new_count = GPT1->CNT;  
      
        // 计算溢出情况（例如从0xFFFFFFFF变到0）  
        if (new_count != old_count)  
        {  
            if (new_count > old_count)  
            {  
                count += new_count - old_count;  
            }  
            else  
            {  
                count += 0xFFFFFFFF - old_count + new_count;  
            }  
        }  
      
        if (count >= us)  
        {  
            return;  
        }  
        old_count = new_count;  
    }  
}

四、总结

ARM架构的时钟系统和定时器模块是嵌入式系统设计的核心组件。理解时钟树的结构和工作原理，对于实现精确的定时控制、优化系统功耗和性能至关重要。

时钟系统：通过PLL、分频器和多路选择器构建复杂的时钟树，为系统提供精确的时序基准
定时器：EPIT提供精确的周期中断，GPT提供灵活的延时功能，两者在嵌入式系统中广泛应用
配置实践：通过寄存器配置，实现时钟频率的精确控制和定时器的精准工作