LPC1700系列Cortex-M3内部时钟系统

1、缩略语

osc：oscillator，意为振荡器，晶振。是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路。

osc_clk：外部晶体振荡器

rtc_clk：real time clock

2. 振荡器

2.1 内部RC振荡器（IRC）

    内部RC振荡器(Inner RC)，可用作WatchDog的时钟源，也可用作驱动PLL0和CPU的时钟源。IRC的精度达不到USB借口的时间基准精度要求（在使用LPC1700的USB功能时要求使用精度更高的外部晶体振荡器作为系统时钟源）。除此以外，如果CAN波特率高于100Kbit/s，则IRC也不能应用于CAN1/2模块。IRC的标称频率为4MHz。

    在上电或任何片上复位时，LPC1700系列Cortex-M3使用IRC作为时钟源。此后，软件可将其切换为另一种可用的时钟源。

2.2 主振荡器（osc）

    主振荡器（外部晶体振荡器）可作为CPU的时钟源（不管是否使用PLL0）。主振荡器工作在1MHz~25MHz下。该频率可通过主PLL（PLL0）来提高至CPU操作频率的最大值。主振荡器的输出称为OSC_CLK。 PLLCLKIN选择用作PLL0输入时钟，周立功的书里将Cortex-M3处理器时钟频率称为CCLK。除非PLL0有效且已连接，否则PLLCLKIN和CCLK的频率相同。

    LPC1700系列Cortex-M3的主振荡器可工作在两种模式下：从属模式、主振荡模式。

    在丛书模式下，输入时钟信号应该与一个100pF的电容相连，其幅值为200mVrms到1000mVrms，相当于方波信号在280mV到1.4V之间浮动。在这种配置下XTAL2引脚可以不连接。

    在主振荡模式下，由于片内集成了反馈电阻，只需在外部连接一个晶体和电容Cx1, Cx2就可形成基本模式的振荡电路（基本频率用L、Cl和Rs来表示。

    由于芯片操作总是从内部RC振荡器开始，因此主振荡器只能由软件请求来启动。

2.3 RTC振荡器

    RTC振荡器可提供1Hz到32KHz的RTC时钟输出，可用作PLL0、CPU和看门狗定时器的时钟源。

3. 多路选择输入时钟源

    用来驱动PLL0、CPU和片内外围设备的时钟源包括主振荡器、RTC振荡器和内部RC振荡器。

    只有在PLL0断开连接时，才可更换输入时钟源。

3.1 PLL时钟源选择寄存器（CLKSRCSEL - 0x400F C10C）

 1:0 CLKSRC {00 使用内部RC振荡器（默认值）； 01选择主振荡器； 10选择RTC振荡器； 11 保留值}， 7:2{0保留值}

4. 多路选择输出外部时钟

4.1 输出外部时钟源选择

    为了便于系统测试和开发，LPC1700系列Cortex-M3任何一个内部时钟均可作为输出外部时钟源，引出CLKOUT（P1.27引脚）功能。

    通过CLKOUT可观察到的输出外部时钟源有CPU时钟（cclk）[0000]、主振荡器时钟（osc_clk）[0001]、内部RC振荡器时钟（irc_osc）[0010]、USB时钟（usb_clk）[0011]和RTC时钟（rtc_clk）[0100]

4.2 时钟输出配置寄存器（CLKOUTCFG - 0x400F C1C8）

    CLKOUTCFG寄存器可以选择在CLKOUT引脚上作为输出的内部时钟，并允许通过一个整数值（1~16）对时钟进行分频。对于大多数时钟源可进行1分频。当选择CPU时钟且该时钟高于50MHz时，输出必须经过分频，使得频率在适当的范围内。

5. PLL0工作原理与使用

    LPC1700系列Cortex-M3内部具有两个PLL模块，分别为PLL0和PLL1。其中PLL0支持32KHz~50MHz范围内的输入时钟频率，而PLL1仅支持10MHz~25MHz范围内的输入时钟频率。

5.1 PLL0工作原理

    PLL0时钟源的选择在CLKSRCSEL寄存器中设置，PLL0将输入时钟升频，然后再分频以提供CPU及芯片外设使用的实际时钟。PLL0可产生的时钟频率高达100MHz，是CPU所允许的最大值。

    PLL0接受的输入时钟频率范围为32KHz~50MHz，PLL0的输出时钟信号就是CCO（电流控制振荡器）的输出，CCO的振荡频率由“相位频率检测”部件控制（内部结构可以忽略），公式为F(PLLin) / N = F(cco) / 2M， 即Fcco = Fpllin * 2M / N

    通常CCO的输出频率是有限的，超出这个范围则无法输出预期的时钟信号。LPC1700系列Cortex-M3内部的CCO可工作在275MHz ~ 550MHz，其中，最佳频率点为288MHz。

    其实，PLL0输出还有其他的分频器，使其频率下降到CPU、USB和其他外设所需要的值。详见“时钟分频器”。

    由于CCO（流控振荡器）与“相位频率检测”部件的工作原理需要一定时间才能稳定，因此需要查询PLL0STAT是否就绪再来启用。

    由于PLL0作为时钟系统中的一个重要模块，为避免程序对PLL0正在使用的相关参数意外修改，芯片厂商从硬件上提供了保护，PLL0FEED（PLL0馈送寄存器），该寄存器使能PLL0CON、PLL0CFG，将前两个配置信息载入到实际影响PLL0操作的映像寄存器中。

5.2 PLL0寄存器描述

    PLL0CON， PLL0CFG， PLL0STAT， PLL0FEED

5.2.1 PLL0控制寄存器（PLL0CON）

    [0] 使能PLL0，允许PLL0尝试锁定倍频器和分频器的当前设定值

    [1] 连接PLL0，使PLL0输出作为处理器和大多数片内外设的时钟源

    对于PLL0CON寄存器的更改，只有在执行了正确的PLL0馈送序列后才生效

5.2.2 PLL0配置寄存器（PLL0CFG）
    [14:0] MSEL0, PLL0倍频器值； [15] 保留；[23:16] NSEL0, PLL0预分频器值； [31:24] 保留

5.2.3 PLL0状态寄存器（PLL0STAT）

    PLL0STAT寄存器提供了当前生效的PLL0工作参数和状态。

    [14:0] MSEL0，保存的值是M - 1； [15] 保留

    [23:16] NSEL0，N - 1； [24] PLLE0，使能位； [25] PLLC0，连接位；

    [26] PLOCK0，反应PLL0的锁定状态。 [31:27] 保留

5.2.4 PLL0馈送寄存器（PLL0FEED）

    使用顺序：PLL0CFG = ***; PLL0FEED = 0xAA; PLL0FEED = 0x55;

5.3 PLL0和掉电模式

    掉电模式会自动关闭并断开PLL0。从掉电模式唤醒不会自动恢复原先的PLL0设置参数，必须在软件中恢复PLL0。通常，可以在中断服务程序的开始激活PLL0、等待锁定并连接PLL0，该中断服务程序也可以在掉电唤醒时调用。

5.4 PLL0频率计算中的参数

    Fin, Fcco, N, M 

    Fcco = Fin x 2M / N  【注意：PLL0输入和设定必须满足下面的条件，Fin的范围32KHz ~ 50MHz， Fcoo的范围 275~550MHz】

    在较高的振荡器频率下（超过1MHz），允许M值的范围从6~512，这是支持主振荡器和IRC操作的整个M值范围。

    对于较低频率，特别是在RTC振荡器用来计时PLL0时，选择了65个M值用于支持波特率产生和CAN/USB操作

5.5 确定PLL0频率参数的过程

    （1）确定是否需要使用USB以及是否由PLL0驱动。USB需要一个占空比为50%的48MHz时钟源，也就是说Fcco必须是48MHz的偶数整数倍（即96MHz的整数倍），此时误差范围极小；

    （2）选择所需的处理器频率（Fcclk）。这取决于处理器的吞吐量要求，外设可在较低时钟频率下运行，这个频率可低于处理器的频率（较低的Fcco值，处理器功耗也更低）。找出与所需Fcclk的倍数接近的一个Fcco值，再与USB所要求的Fcco值相比较；

    （3）选择PLL0输入频率（Fin）的值。这可从主振荡器、RTC振荡器或片内RC振荡器中选择。使用USB功能时，需选择主振荡器；

    （4）计算M和N的值来产生十分精确的Fcco频率。

    总的来说，建议使用一个较小的N值，这样可以降低CCO的倍频数。

5.6 PLL0频率计算举例

    例1：在应用中使用USB接口

    a. 在应用中使用USB接口并且由PLL0驱动。在PLL0操作范围（275MHz ~ 550MHz）内，96MHz的最小整数倍频值是288MHz（越小则功耗越低）；

    b. 预期的CPU速率为60MHz；

    c. 使用外部4MHz晶振或内部4MHz作为系统时钟源。 计算 M = (Fcco * N ) / (2 * Fin)

    d. 为了使PLL0的倍频值最小，可选择N=1。因此M = 288 * 10^6 * 1 / (2 * 4 * 10^) = 36

    例2：在应用中不适用USB接口

    a. 预期的Fcclk为72MHz；

    b. 使用32.768KHz RTC时钟源作为系统时钟源。

    c. 要产生所需的Fcclk，而在PLL操作范围内，最小的Fcco为288MHz（4*72MHz），此时，我们令N=1，以获得Fcco的最小倍频值。M=288*10^6/(2*32768)=4394.53125。我们取不同的N值，得到M值不同，且Fcco可以算出几个误差，求得最接近的M=8789, N=2

5.7 PLL0设置步骤

    要对PLL0进行正确初始化，须注意下列步骤：

    (1) 如果PLL0已连接，则用一个馈送序列断开与PLL0的连接；

    (2) 用一个馈送序列禁止PLL0；

    (3) 如果需要，可在没有PLL0的情况下改变CPU时钟分频器的设置以加速操作；

    (4) 如果需要，可操作“时钟源选择控制寄存器”以改变系统时钟源；

    (5) 写PLL0CFG并用一个馈送序列使其有效。PLL0CFG只能在PLL0被禁止时更新；

    (6) 用一个馈送序列使能PLL0；

    (7) 改变CPU时钟分频器设置，使之与PLL0一起操作；

    注意：在连接PLL0之前完成这个操作。

    (8) 通过监控PLL0STAT寄存器的PLOCK位0，或者使用PLL0锁定中断来等待PLL0实现锁定。此外，当使用低频时钟作为PLL0的输入时（也就是32KHz时），需要等待一个固定的时间。当PLL参考频率Fref（=Fin/N）少于100KHz或大于20MHz时，PLOCK0的值可能不稳定。在这些情况下，启动PLL0后等待一段时间即可。当Fref大于400KHz时，这个时间为500us；当Fref少于400KHz时，这个时间为200/Fref秒；

    (9) 用一个馈送序列连接PLL0。

    注意：不要合并上面的任何一个步骤。例如，不能用相同的馈送序列同时更新PLL0CFG和使能PLL0

5.8 PLL0和启动/引导代码的相互作用

    当在用户Flash中无有效代码（由校验和字决定）或在启动时拉低ISP使能引脚（P2.10）时，芯片将进入ISP模式，并且引导代码将用IRC设置PLL0。因此，当用户启动JTAG来调试用户代码时，用户代码不能认为PLL0被禁止。在用户启动代码中必须对PLL0进行重新设置。

6. PLL1工作原理与使用

6.1 PLL1工作原理

    PLL1仅接受主振荡器的时钟输入，并且为USB子系统提供一个固定的48MHz时钟。除了从PLL0产生USB时钟外，这是产生USB时钟的另一种选择。

    PLL1在复位时禁止和掉电。如果PLL1保持禁止，那么可以由PLL0提供USB时钟。

    PLL1仅支持从10MHz到25MHz范围内的输入时钟频率。倍频值M可以是1~32的整数值（对于USB，倍频值不能高于4）。Fcco的操作范围从156MHz到320MHz，输出分频器P可设为2、4、8、16分频来产生输出时钟。

6.2 PLL1的寄存器描述（与PLL0的寄存器基本相同）

7. 时钟分频器

7.1 CPU时钟配置寄存器（CCLKCFG）

    LPC1700系列Cortex-M3 CPU的时钟频率最大值为100MHz。可以选用适当的分频器值CCLKSEL来降低CPU的操作频率，以达到暂时节省功耗无需关闭PLL0的目的。

7.2 USB时钟配置寄存器（USBCLKCFG）

    注意：该寄存器仅在PLL1禁止时使用。如果PLL1使能，则其输出自动使用PLL1作USB时钟源，且必须配置其为USB子系统提供准确的48MHz时钟。

    USBCLKCFG寄存器控制对PLL0输出时钟的分频，然后提供给USB子系统使用。操作示例：USBCLKCFG = (Fcco / Fusbclk - 1)

7.3 IRC调整寄存器（IRCTRIM），该寄存器用于调整片内4MHz振荡器。

7.4 外设时钟选择寄存器（PCLKSEL0，PCLKSEL1），每个外设都有各自独立的分频器，两位，可表示1、1/2、1/4、1/8倍的CCLK