如果你还不知道单片机的心脏在怎么用，可以看看这 5 点！ - LPC82X 系统时钟的配置使用

时钟对于单片机来说是非常重要的，它能为单片机提供一个稳定的机器周期从而使系统能够正常工作。它就像我们人类的心脏一样重要，一但有了问题那么系统就会崩溃。我们在使用单片机的时候，常常会使用默认的时钟频率，然而在一些特殊的场合（例如串口通讯或者实时时钟），则需要特殊的时钟频率，这时芯片自带的振荡器就无法满足我们的需求。这个时候，就可以选择外部晶振作为时钟源。

芯片除了默认的内部 RC 振荡器和外部晶振，还有看门狗振荡器和低功耗振荡器，分别用于不同的场合。学习芯片内部系统时钟的运作，有助于我们配置出合适的时钟频率。下面我们会以 LPC82X 系列为例，从：振荡器种类、主时钟源的选择及使用、锁相环原理及配置、时钟输出（CLKOUT）功能说明及使用 和 时钟图形配置工具 这 5 点讲解系统时钟。

 

        LPC82x 时钟树框图如下：

         

一、LPC82x 振荡器种类

       首先我们来介绍一下 LPC82x 集成的 4 个独立的振荡器：

         

        1. 内部 RC 振荡器（IRC Oscillator）

        内部高速 RC 振荡器，IRC 作为芯片上电缺省时钟，也就是说，如果芯片上电后没有对任何时钟寄存器进行配置的话，就会以 IRC 作为系统主时钟。

        IRC 频率为 12 MHz，精度为 ，全温度范围从 -40℃ 到 105℃。


        2. 外部高速晶体振荡器（System Oscillator）

        内部高速 RC 振荡器的误差会随电压，温度，湿度等一些因素改变，当我们需要更加精准的时钟频率的时候，外部晶体振荡器可用作 CPU 的时钟源。SysOsc 工作频率范围为 1 MHz 至 25 MHz。此频率可通过系统 PLL 提高到更高的频率。

        外部晶振还可以满足我们对特殊频率的需求，比如进行通信的时候，一般选择 11.0592 MHz，12 M 频率进行串行通信不容易实现标准的波特率，比如 9600，4800，而 11.0592 M 计算时正好可以得到。然后在需要 RTC（实时时钟）的时候，晶振一般选用 32768 Hz，2 分频 15 次后为 1 Hz，周期为 1 秒。

        外接晶体又称为“振荡”模式，电路一般如下：

         

        此外 XTALIN 还能用于外部时钟输入，称为“从属”模式：

         

        另外，外部时钟源也可通过所选 CLKIN 引脚直接作为 PLL 的输入信号。两个时钟信号的最大频率均为 25 MHz。


        3. 内部看门狗晶振（Watchdog Oscillator）

        LPC824 还带有两款适用于低功耗应用的时钟源，分别是 内部看门狗晶振 和 内部低功耗晶振。

        内部看门狗频率范围为 9.3KHz–2.3MHz，精度为 。

        单片机系统在外界的干扰下会出现程序跑飞的现象导致出现死循环。看门狗的作用就是在一定时间内（通过计数器计数）没有收到系统的信号，便发送复位信号给芯片，实现自动复位重启。看门狗晶振一般专用于看门狗的计数，与主时钟分隔开，这样即使主时钟发生故障，它也仍然有效。

        看门狗频率计算公式为：Fclkana/(2x(1 + DIVSEL))，通过寄存器 WDTOSCCTRL 来设置得到需要的 Fclkana 和 DIVSEL 值，寄存器配置如下：

         

        4. 内部低功耗振荡器（LP OSC）

         内部低功耗晶振可作为自唤醒定时器（WKT: Self-wake-up timer）的时钟源，用来将芯片从各种低功耗模式中唤醒。

         LP OSC 的频率为 10KHz，精度为 -40%~+40%

 

二、LPC82x 主时钟源的选择及使用

         

        主时钟（Main Clock）是 LPC824 中绝大部分部件工作的时钟源,包括系统时钟，UART 时钟等。

        主时钟的来源可以是以下四种选择（通过寄存器 MAINCLKSEL 选择）：

         

        内部高速 RC 振荡器（IRC -Internal RC Oscillator）: 12MHz

        锁相环前端时钟（PLL input）: 10MHz –25MHz

        内部看门狗晶振（Watchdog Oscillator）: 9.3 kHz –2.3 MHz (+/-40%)

        锁相环后端时钟（PLL output）

          

        主时钟可通过 SYSAHBCLKDIV 寄存器设置分频后获得系统时钟信号，用于内核时钟、存储和外设的时钟；

        可通过 UARTCLKDIV 寄存器设置分频后获得串口通讯时钟信号；

        可通过 IOCONCLKDIV 寄存器设置分频后获得 IO 口数字滤波器时钟信号；

        还可以通过 CLKOUTDIV 寄存器设置分频后输出时钟信号。

三、锁相环原理及配置

        由振荡器的内容可知，振荡器能产生的时钟频率最高为 25 MHz，那么 LPC82x 的系统时钟频率是怎么达到最大系统时钟频率（30MHz）的呢？锁相环（PLL）的作用就是将时钟升频，为芯片提供更高频率的时钟。

          

        锁相环前端时钟可以是以下三种选择（通过寄存器 SYSPLLCLKSEL 选择）：
         

        内部高速 RC 振荡器（IRC）：12MHz

        外部高速晶振（XTAL –System Oscillator）：频率范围 1MHz ~ 25MHz，XTALIN 也可用作输入，电压限幅 1.8v

        外部时钟（CLKIN）：频率范围 1MHz ~ 25MHz，由 CLKIN 管脚输入，电压 3.3V

 

        PLL 原理框图：
          

        相应计算公式：

                Fclkout = M x Fclkin= (FCCO) / (2 x P)

                FCCO = 2 x P x Fclkout

        要选择合适的 M 值和 P 值，建议执行以下步骤：

        1. 指定输入时钟频率 Fclkin。

        2. 计算 M 值以获得所需的输出频率 Fclkout，M = Fclkout / Fclkin。

        3. 找出一个 P 值，计算 FCCO = 2 × P × Fclkout，使得 156MHz  <  FCCO <  320MHz，

        4. 检查所有的频率和分频器值是否符合

 

        以我们要配置主时钟频率为 60 MHz 为例，选择 内部振荡器 12MHz 为 PLL 时钟输入 Fclkin，M 值设定为 5，则 PLL 时钟输出为 M x Fclkin = 60 MHz（通过 SYSAHBCLKDIV 寄存器设置 2 分频可得到系统时钟 30 MHz）。接着确定 P 值，应满足156 MHz  <  2 × P × Fclkout  <  320 MHz，即 1.3 < P < 2.67, 所以选择 P = 2。

        P 值和 M 值的设置通过寄存器 SYSPLLCTRL 控制：

          

        

        在文件 fsl_clock.c 中，有 CLOCK_InitSystemPll 函数，我们只需选择 PLL 时钟输入源和 所需的输出频率，函数便自动计算出 M 值和 P 值，对 PLL 进行配置。

        举个例子，配置 PLL 选择 IRC 振荡器作为时钟源，输出 24 MHz 。

 

                 clock_sys_pll_t config;                                 // 创建 PLL 配置变量

                 config.src = kCLOCK_SysPllSrcIrc;                    // 选择 PLL 时钟输入源为 IRC 振荡器

                 config.targetFreq = 24000000U;                 // 选择 PLL 输出时钟为 24 MHz

                 CLOCK_InitSystemPll(&config);                         // 使用函数对 PLL 进行配置

 

        注意：LPC82X 的主时钟频率被限定在 100 MHz

 

四、时钟输出（CLKOUT）功能说明及使用

        通过 CLKOUT 管脚可以将需要观察的时钟输出，管脚使用开关矩阵进行设置。

         

        被观察时钟的来源可以是以下四种选择（通过寄存器 CLKOUTCLKSEL 选择）
         

        内部高速 RC 振荡器（IRC）

        外部高速晶振（XTAL）

        内部看门狗晶振（Watchdog Oscillator）

        主时钟（Main Clock）

 

        实现 CLKOUT 功能的配置如下（本例为配置 PIO0_6 引脚作为 CLKOUT 功能）：

 

                 CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Swm);                                                                  //打开开关矩阵时钟源

                SWM_SetMovablePinSelect(SWM0, kSWM_CLKOUT, kSWM_PortPin_P0_6);        //为引脚配置 CLKOUT 功能

                CLOCK_DisableClock(kCLOCK_Swm);                                                                  //关闭开关矩阵时钟源

                CLOCK_Select(kCLKOUT_From_MainClk);                                                           //选择输出的时钟源为主时钟

                CLOCK_SetClkDivider(kCLOCK_DivClkOut, 1U);                                                    //选择输出的时钟源为 1 分频

                CLOCK_SetClkDivider(kCLOCK_DivClkOut, 1U);                                                    //选择输出的时钟源为 1 分频

                CLOCK_UpdateClkOUTsrc();                                                                                 //更新 CLKOUT 的时钟源

 

五、时钟图形配置工具

       了解了 LPC82X 的时钟树之后，除了手动配置以外，我们配置时钟可以借助图形配置工具 MCUXpresso Config Tools 生成代码，非常的简单快捷。

         MCUXpresso Config Tools 是 NXP 官方推出的软件开发工具，支持 Windows，Linux 和 Mac，通过以下链接下载
        https://www.nxp.com/design/software/development-software/mcuxpresso-software-and-tools/mcuxpresso-config-tools-pins-clocks-peripherals:MCUXpresso-Config-Tools?&tab=Design_Tools_Tab

         

        举个例子，我们要配置 LPC824 的系统时钟为 30 MHz，此时选择主时钟为 PLL 输出，PLL 的输入为外部晶振 12 MHz，通过 PLL 倍频后获得 60 MHz 的时钟信号，再分频给到系统时钟，从而获得 30 MHz 的系统时钟信号。

        首先 MCUXpresso Config Tools 打开软件，新建配置，选择创建一个新的独立的配置：

         

        然后选择我们的芯片信号，这里选择 LPC824。

         

        然后可以选择自己需要生成的文件：
          

        然后选择时钟配置：
         

        接着就会出现我们所熟悉的时钟树：
         

        双击各个时钟信号，可以对其进行配置，这里将外部晶振使能，PLL 输入选择外部晶振：

         

        接着 PLL 更改 M 值，使其输出为 60Mhz，系统时钟通过 2 分频获得 30 MHz 的时钟信号。

        

        接着我们由于使用了外部晶振作为时钟源，需要为 PIO0_8 和 PIO0_9 分别配置 XTALIN 和 XTALOUT 功能

         

        我们还可以配置自己想要的管脚配置成 CLKOUT 功能，这里选择 PIO0_6 作为 CLKOUT 引脚。
         
         

        此时系统时钟配置完毕，我们点击右上角的代码预览，便可以观察到生成的代码，点击导出按钮可以将代码导出，我们将其加入 SDK 里的工程中即可使用。

         

   

        -- End --