PIC振荡器配置与时钟切换

单片机编程就是C语言+寄存器设置。 
以前对PIC振荡器的配置都是拿来主义，把别人的代码拿过来用就行了。这两天特意研究下振荡器的配置与时钟切换。在mplab IDE和C30编译器下，针对PIC24FJxx系列单片机完成的测试。 
配置振荡器最主要的目的就是为了设置机械时钟Fosc，此时钟给CPU和外设提供时钟源。但为了降低功耗又不中断外设正常通信，此系列PIC保证CPU与外设的时钟同步情况下，增加了打盹模式，用于降低CPU运行时钟速度，以达到节能效果。 
个人是这么理解的，CPU时钟就是代码运行时钟，决定代码运行速度；外设时钟就是中断、定时器、输入捕捉、输出比较、UART、SPI等外设的时钟源。 
 
在时钟框图中可看出，由四个振荡器提供时钟源，包括两个外部振荡器（主振荡器、辅助振荡器）和两个内部振荡器（FRC振荡器——快速RC、LPRC振荡器——低功耗RC）。 
时钟模式共11种： 
1. XT——1M到4M的石英晶体振荡器（主振荡器） 
2. HS——超过4M的石英晶体振荡器（主振荡器） 
3. EC——低于1M的陶瓷振荡器（主振荡器） 
4. XTPLL——带PLL模块的主振荡器（主振荡器） 
5. HSPLL——带PLL模块的主振荡器（主振荡器） 
6. ECPLL——带PLL模块的主振荡器（主振荡器） 
7. FRCPLL——带后分频器和PLL模块的快速RC振荡器（内部振荡器） 
8. FRCDIV——带后分频器的快速RC振荡器（内部振荡器） 
9. FRC——快速RC振荡器（内部振荡器） 
10. LPRC——低功耗RC振荡器（内部振荡器） 
11. SOSC——辅助振荡器（辅助振荡器） 
注：①PLL模块是一个锁相环（Phase Lock Loop）倍频器，可提高4倍频率，②这里共有11时钟模式，在配置时，有一个保留模式，但无HSPLL模式

一. 振荡器配置

一般为了减少外围电路，采用内部振荡器，其时钟频率最高可达32M。如果需要严格的时钟频率，而内部振荡器又无法匹配上，那才考虑外部振荡器。所以一般按以下步骤来配置（后面对应寄存器名）： 
1. 是否使用主振荡器——配置位CW2的POSCMD1:POSCMD0 
2. 选择初始振荡器，即时钟模式——配置位CW2的FNOSC2:FNOSC0 
3. 配置OSCO引脚功能，在EC和非主振荡器时钟模式下，不占用此引脚，可配置成Fosc/2时钟输出CLKO，或普通I/O口RA3——配置位CW2的OSCIOFCN 
4. 【不使用SOSC模式可忽略此步】配置SOSC辅助振荡器使能位——OSCCON的SOSCEN 
5. 【不使用FRCPLL、FRCDIV模式可忽略此步】配置FRC后分频比——CLKDIV的RCIDV2:RCDIV0 
6. 【不使用打盹模式可忽略此步】配置CPU与外设的时钟比——CLKDIV的DOZE2:DOZE0 
7. 【不使用打盹模式可忽略此步】配置中断是否影响打盹使能位（DOZEN）——CLKDIV的RIO 
8. 【不使用打盹模式可忽略此步】使能打盹模式——CLKDIV的DOZEN 
9. 【不调节FRC振荡器频率，应忽略此步】校准FRC振荡器频率——OSCTUN的TUN5:TUN0 
（四个寄存器位组成参考文章末尾）

在不使用时钟切换的模式下，以上9步就可解决振荡器的配置问题。上面涉及到4个寄存器CW2、OSCCON、CLKDIV和OSCTUN，要配置他们可不是直接使用“_SOSCEN = 1;”或“OSCCONbits.SOSCEN = 1;”那样简单。CLKDIV和OSCTUN两个寄存器可按前面的方式进行配置，而CW2与OSCCON需要通过其他方式进行配置： 
1）CW2——两种方法 
可通过IDE自带配置位界面（Configure->Configuration Bits…）直接选择 
或在#include包含文件位置后，使用代码_CONFIG2(value)，value为配置数值，如： 
_CONFIG2(POSCMOD_NONE & FNOSC_FRCPLL & OSCIOFNC_ON & FCKSM_CSECME) 
2）OSCCON——也有两种方法 
首先说明下，OSCCON是个核心寄存器，不是可以随便编辑的，用了两把锁把它的高低字节分别锁起来了。所以要编辑它，必须先解锁。高字节OSCCON<15:8>写序列为：连续将78h和9Ah写入高字节进行解锁，立即写入需要的数值。低字节OSCCON<7:0>写序列为：连续将46h和57h写入低字节进行解锁，立即写入需要的数值。 
因此，要先区分所编辑位属于OSCCON高字节还是低字节，再按要求进行解锁和写入。 
第一种方法，使用内置函数，__builtin_write_OSCCONH(value)来配置OSCCON高字节，和__builtin_write_OSCCONL(value)来配置OSCCON低字节。使用内置函数，不需要考虑解锁，编译成汇编代码已经包含了解锁序列，见下图（参考C30编译器的帮助文件hlpMPLABC30.chm） 
 
第二种方法，直接使用汇编语言，嵌套在C语言中。发现C30不支持#asm和#endasm的多行汇编，就使用单行嵌入“asm(instruction);”，望知道的大侠告诉一声（谢谢^_^）。

    asm("mov #OSCCONH, w1");

    asm("mov #0x78, w2");

    asm("mov #0x9A, w3");

    asm("mov #0x00, w4"); //0x00 is the value will write to OSCCONH

    asm("mov.b w2, [w1]");

    asm("mov.b w3, [w1]");

    asm("mov.b w4, [w1]");

    asm("mov #OSCCONL, w1");

    asm("mov #0x46, w2");

    asm("mov #0x57, w3");

    asm("mov #0x01, w4"); //0x01 is the value will write to OSCCONL

    asm("mov.b w2, [w1]");

    asm("mov.b w3, [w1]");

    asm("mov.b w4, [w1]");

相信用C语言写程序的人都会选内置函数。 

以下是个完整的代码，使用FRCPLL时钟模式，Fosc=32M，用定时器T1开关LED灯，实现每3s切换一次状态：

#include

_CONFIG1(JTAGEN_OFF & GCP_OFF & FWDTEN_OFF)

_CONFIG2(POSCMOD_NONE & FNOSC_FRCPLL & OSCIOFNC_ON) // clock mode:FRCPLL, OSCO/RA3 functions as port I/O

typedef char BYTE;

typedef unsigned int WORD;

typedef unsigned long int DWORD;

#define LED_TRIS        _TRISA3

#define LED_ON()        _LATA3 = 1

#define LED_OFF()       _LATA3 = 0

#define LED_TRIGGER()   _LATA3 = ~_LATA3

#define TIME_TEN_MICROSECOND    300

WORD ledTriggerCount = 0;

void IC_Initialize(void)

{

    /*Oscillator configuration :32M FRCPLL*/

    __builtin_write_OSCCONL(0x00);

    CLKDIVbits.RCDIV = 0b000; //FRC postscaler divide by 1, is 8M

    /*enable DOZE mode*/

    //CLKDIVbits.DOZE = 0b001; 

    //CLKDIVbits.DOZEN = 1; //enable DOZE bit

    /*initialize T1*/

    T1CONbits.TCS = 0; // internal clock

    T1CONbits.TGATE = 0; //disable Gated time accumulation

    T1CONbits.TCKPS = 0b01; //prescale =1:8, T1 = 2*8/fosc = 0.5us

    T1CONbits.TON =0;

    TMR1 = 0;

    PR1 = 20000; // time on a cycle is 10us

    _T1MD = 0; //default value, enable clock source to T1

    _T1IP = 7; //highest priority

    _T1IF = 0;

    _T1IE = 1; //enable T1 interrupt

}

int main(void)

{

    IC_Initialize();

    LED_TRIS =0;

    LED_ON();

    T1CONbits.TON =1; //T1 start

    while(1);

    return 0;

}

void __attribute__ ((__interrupt__, no_auto_psv)) _T1Interrupt(void)

{

    if(++ledTriggerCount == TIME_TEN_MICROSECOND){

        ledTriggerCount = 0;

        LED_TRIGGER();

    }

    _T1IF = 0;

}

二. 时钟切换

时钟切换按正常逻辑来理解，应该是告诉我一个新时钟模式，然后我切换过去就好了。对，就是这么简单。具体地寄存器操作步骤，看下面： 

1. 开启时钟切换功能，FCKSM1位必须清零——CW2的FCKSM1:FCKSM0 

2. 配置新时钟模式——OSCCON的NOSC2:NOSC0 

3. 开始切换——OSCCON的OSWEN 

三步完成时钟切换，但有四点要注意： 

1）主振荡器下的三个子模式（XT、HS和EC）是由配置位决定，他们之间无法切换的。这好理解，你用一台发电机给工厂发电，你要切换发电机，在不断电的情况下不好办吧，得先断电后再切换。这里要切换就要重新烧录程序并设置配置位 

2）使能PLL的主振荡器与FRCPLL之间也不能直接切换，但可通过先中转到FRC下再切换 

3）涉及到引脚或分频类的，要注意设置好，参考datasheet，这里不再赘述 

4）OSCCON的COSC2:COSC0可读出当前时钟模式，在切换前可先判断当前时钟模式 

下面实例代码，在FRCPLL（Fosc=32M）和FRC（Fosc=8M）模式之间循环切换，通过LED呈现状态结果。在FRCPLL模式下，LED亮2s，灭2s，然后切换到FRC模式下，亮8s，灭8s，再切换到FRCPLL模式下，如此循环：

#include

_CONFIG1(JTAGEN_OFF & GCP_OFF & FWDTEN_OFF)

_CONFIG2(POSCMOD_NONE & FNOSC_FRCPLL & OSCIOFNC_ON & FCKSM_CSECME) // OSCO/RA3 functions as port I/O, enable clock switch

typedef char BYTE;

typedef unsigned int WORD;

typedef unsigned long int DWORD;

#define LED_TRIS        _TRISA3

#define LED_ON()        _LATA3 = 1

#define LED_OFF()       _LATA3 = 0

#define LED_TRIGGER()   _LATA3 = ~_LATA3

#define TIME_TEN_MICROSECOND    200

WORD ledTriggerCount = 0;

BYTE  oscillatorSwitchCount = 0;

void IC_ClockSwitch(BYTE newOSC)

{

    _T1IE = 0; //disable all interrupts before switching    

    __builtin_write_OSCCONH(newOSC); //set new oscillator mode

    __builtin_write_OSCCONL(0x01);  //enable oscillator switch

    while(OSCCONbits.OSWEN); //waiting for a successful clock transition

    _T1IE = 1; //enable interrupt after switched

}

void IC_Initialize(void)

{

    //Oscillator configuration :32M FRCPLL

    CLKDIVbits.RCDIV = 0b000; //FRC postscaler divide by 1, input 4*PLL is 8M

    CLKDIVbits.DOZE = 0b001; //1:2, CPU clock:16M

    CLKDIVbits.DOZEN = 1; //enable DOZE bit

    //initialize T1

    T1CONbits.TCS = 0; // internal clock

    T1CONbits.TGATE = 0; //disable Gated time accumulation

    T1CONbits.TCKPS = 0b01; //prescale =1:8, T1 = 2*8/fosc = 0.5us

    T1CONbits.TON =0;

    TMR1 = 0;

    PR1 = 20000; // time on a cycle is 10us

    _T1MD = 0; //default value, enable clock source to T1

    _T1IP = 7; //highest priority

    _T1IF = 0;

    _T1IE = 1; //enable T1 interrupt

}

int main(void)

{

    IC_Initialize();

    LED_TRIS =0;

    LED_ON();

    T1CONbits.TON =1; //T1 start

    while(1);

    return 0;

}

void __attribute__ ((__interrupt__, no_auto_psv)) _T1Interrupt(void)

{

    if(++ledTriggerCount == TIME_TEN_MICROSECOND){

        ledTriggerCount = 0;

        LED_TRIGGER();

        if(++oscillatorSwitchCount == 2){

            oscillatorSwitchCount = 0;

            IC_ClockSwitch(~OSCCONbits.COSC&0x01);//switch clock mode between FRCPLL and FRC

        }

    }

    _T1IF = 0;

}

里面的代码“IC_ClockSwitch(~OSCCONbits.COSC&0x01);”与下面代码功能一样：

if(OSCCONbits.COSC == 0b001)

    IC_ClockSwitch(0x00); //FRCPLL -> FRC

else

    IC_ClockSwitch(0x01); //FRC -> FRCPLL