TI - MCU - MSP430使用指南6 -> CS时钟系统

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MSP430产品能做到超低功耗主要得益于对时钟的严谨设计，在所有MSP430产品中，总共有以下几种时钟类型：

• MCLK ： Master Clock，MCU主时钟，决定着CPU，CRC等运行的速度。
• SMCLK：Subsystem Master Clock，子系统时钟，这个时钟总是由MCLK分频得到，可以是1、2、4、8等分频，与MCLK属于同步时钟，主要可用于常规外设的时钟源。
• ACLK：Auxiliary clock，辅助时钟，可以由XT1CLK（外部时钟）或REFCLK（内部时钟）产生，这个时钟频率必须在32KHz左右，最常规的应该在32768Hz，不能超过40KHz。
• VLOCLK：Internal very-low-power low-frequency oscillator，内部超低功耗低频率时钟，频率10KHz，精度比较低：50%。
• MODCLK：Internal high-frequency oscillator，内部高频率时钟，频率5MHz，精度10%。
• XT1CLK：外部时钟，一般分为两种：LFXT（低频率32768Hz）和HFXT（高频率 <16Mhz）。
• DCOCLK:  Internal digitally controlled oscillator，内部数字控制时钟，DCO一般和FLL（锁频环）相结合，可以实现频率的倍增，比如：输入32768KHz，倍频后可实现16MHz。
• REFCLK：Internal trimmed low-frequency oscillator，内部参考时钟，频率32768Hz。

因为MSP430产品有很多种类，因此并不会包含上述所描述的所有时钟资源，具体请参考芯片资料：datasheet和user guide。

 

如上图所示，是FR2xx/4xx系列的两种时钟：基本时钟模型和增强始终模型，基本时钟模型最大可实现16MHz的频率，而增强型可以达到24MHz的频率，同时增强型时钟可以对频率进行更加深入的划分，下面我们以MSP430FR2311为例来描述一下如何使用寄存器对时钟模型进行操作，以实现自己想要的MCLK频率。

上图为MSP430FR2311内部时钟频率的结构图，从图中可以看到，可以接一个外部时钟（XT1）。接入晶振频率位32768Hz（最大不能超过40KHz）。

内部有一个REFO参考时钟，频率是32768Hz，精度在5%左右，因此在一般使用情况下，内部REFO时钟就已经够用，无需接外部晶振。当然，如果连接外部晶振使用的话，精度会比内部时钟更高。

MSP430FR2311内部还集成了一个10KHz的VLO时钟。

从图中看到SMCLK必须从MCLK分频得到，也就是说MCLK和SMCLK是同步的，但是在其他比如F系列MCU中就可能存在异步模型，因此具体时钟模型，请查看每个芯片的datasheet。

 

下面我们看一下如何操作时钟模块的寄存器来实现对时钟的配置：

First ：在没配置时钟情况下，MCLK频率默认 ： 1MHz

从下图可以看出，时钟模块总共有9个寄存器，CSCTL0 – CSCTL8，下面对这九个寄存器进行详细描述：

1. CSCTL0

CSCTL0寄存器里有两个参数，MOD和DCO，MOD指的是调制位计数器，DCO指的是        Tap寄存器，听起来很陌生，熟悉起来其实很简单，这需要从FLL内部原理说起：

FLL ：Frequency  Locked  Loop, 频率锁定环，首先是一个环形结构，如下图所示，一个参考频率，一个反馈频率，当然还需要一个设定的频率，从而形成闭环：

问题来了，我怎么设定频率呢，FLL怎么控制最后锁定的频率呢，这时候就需要DCO和MOD来实现了，DCO实现微调，MOD实现精调，可以看到DCO是9bits，也就是0 – 512，因此可以根据这个数来定位FLL的频率，比如0代表10MHz，512代表12MHz，这时你会发现，这样的话精度就比较低，也就是2/512，那么如果我想设置15.99999999999MHz呢，这就需要进一步细分了，就有了MOD的出现，下面公式可以很清楚的看到MOD的作用，在DCO的两个临近的频率再进行32细分，这样就可以增加时钟锁定的精度。MOD功能可以关闭，给MOD写0即可。

看起来锁定一个频率还需要计算等等，实际使用起来呢？ 并不需要写这两个寄存器，FLL内部会自动调整，我们需要设置的是FLLn寄存器，再后面寄存器中会描述。

2. CSCTL1

CSCTL1寄存器里有四个参数，首先第一个和第二个：DCOFTRIMEN和DCOFTRIM，这两个参数是对FLL频率的一次粗调，在粗调时候，DCO会进行第二步调整。

DCORSEL是对FLL期望频率的选择，本质上这些震荡时钟内部都是LC振荡器，因此需要先给这个振荡器设置一下基本参数，也就是震荡范围，然后再进行期望频率的锁定，配平。

DISMOD：FLL模块的使能参数，1使能（默认），0失能。

 

3. CSCTL2

               CSCTL2寄存器里只有两个参数，用来设定FLL的频率，具体公式如下图所示：

               TI对这两个参数的建议是，先将DCOCLK频率设置成最高，即16MHz，然后再通过FLLD 进行分频后使用。

4. CSCTL3

CSCTL3寄存器里有三个参数：REFOLP, SELREF, FLLREFDIV

REFOLP：REFO时钟低功耗模式控制寄存器，当写1时，进入低功耗模式，写0时，失能低功耗模式，默认状态0.

SELREF: FLL时钟源选择：可以是XT1CLK或REFOCLK

FLLREFDIV：参考时钟分频设置，对于XT1仅能接32768Hz晶振的模型，不分频，这个寄存器没用，对于可以外接高速晶振时，分频后再接入FLL作为参考时钟。

 

5. CSCTL4

CSCTL4寄存器有两个参数，分别对MCLK/SMCLK，ACLK时钟源进行选择，配置祥情如下：

 

6. CSCTL5

 

CSCTL5寄存器包含四个参数，VLOAUTOOFF是设置VLO时钟再不使用状态下是否会自动关闭的参数，写1时（默认也就是1），再不使用VLO时钟时，会自动关闭，为什么要关闭呢，低功耗呀！！！！

SMCLKOFF：控制着SMCLK时钟的开关，默认0：开启SMCLK时钟。

剩下两个参数时对MCLK和SMCL的分频设置，具体如下：

 

7. CSCTL6

 

CSCTL6寄存器里有参数比较多，第一个XT1FAULTOFF（13bit，UG中忘记描述了）可以控制当XT1故障时自动切换ACLK时钟源位内部REFO，默认0：使能。

DIVA是对ACLK时钟源的分频，具体如下：

XT1BYPASS：这个参数用来设置输入时钟的类型，如果用晶振的话，则是内部去震荡这个晶振达到晶振的固有频率做为使用，当然也可以直接输入一个方波作为MCU时钟源，这种模式便是BYPASS模式，此模式下，XT1IN引脚输入方波即可，XT1OUT一般接GND。

默认0：接晶振，设置1：接方波信号。

其他参数直接默认即可，使用意义不大。

8. CSCTL7

 

CSCTL7寄存器里的数据直接默认即可，基本不需要设置，很多情况下用于调试查找问题作为标志使用，详情去看User Guide。

9. CSCTL8

             CSCTL8寄存器里包含的是MOD，SMCLK，MCLK，ACLK的Request使能，直接默认即可，会失能MOD，使能MCLK，SMCLK和ACLK。

好了，再讲述完寄存器配置后，开始给出程序例子来描述如何根据用户需求去设置时钟模块：

Code 1:使用内部参考时钟REFO设置MCLK频率位16MHz：

//******************************************************************************
#include <msp430.h>

int main(void)
{
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;                  // Stop watchdog timer

    // Configure one FRAM waitstate as required by the device datasheet for MCLK
    // operation beyond 8MHz _before_ configuring the clock system.
    FRCTL0 = FRCTLPW | NWAITS_1;

    __bis_SR_register(SCG0);                   // disable FLL
    CSCTL3 |= SELREF__REFOCLK;                 // Set REFO as FLL reference source
    CSCTL0 = 0;                                // clear DCO and MOD registers
    CSCTL1 &= ~(DCORSEL_7);                    // Clear DCO frequency select bits first
    CSCTL1 |= DCORSEL_5;                       // Set DCO = 16MHz
    CSCTL2 = FLLD_0 + 487;                     // DCOCLKDIV = 16MHz
    __delay_cycles(3); 
    __bic_SR_register(SCG0);                   // enable FLL
    while(CSCTL7 & (FLLUNLOCK0 | FLLUNLOCK1)); // FLL locked
  
    CSCTL4 = SELMS__DCOCLKDIV | SELA__REFOCLK; // set default REFO(~32768Hz) as ACLK source, 
                                               // ACLK = 32768Hz
                                               // default DCOCLKDIV as MCLK and SMCLK source
    P1DIR |= BIT0 | BIT1 | BIT2;               // set ACLK SMCLK and LED pin as output
    P1SEL1 |= BIT0 | BIT1;                     // set ACLK and  SMCLK pin as second function
    PM5CTL0 &= ~LOCKLPM5;                      // Disable the GPIO power-on default 
                                               // high-impedance mode to activate previously 
                                               // configured port settings

    while(1)
    {
        P1OUT ^= BIT2;                                 // Toggle P1.2 using exclusive-OR
        __delay_cycles(8000000);                       // Delay for 8000000*(1/MCLK)=0.5s
    }
}

Code 2: 使用外部晶振把MCLK时钟设置成8MHz,并且使用软件Trim。

//******************************************************************************
#include <msp430.h>

void Software_Trim();                       // Software Trim to get the best DCOFTRIM value
#define MCLK_FREQ_MHZ 8                     // MCLK = 8MHz

int main(void)
{
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;               // Stop watchdog timer

    P2SEL1 |= BIT6 | BIT7;                  // P2.6~P2.7: crystal pins
    do
    {
        CSCTL7 &= ~(XT1OFFG | DCOFFG);      // Clear XT1 and DCO fault flag
        SFRIFG1 &= ~OFIFG;
    } while (SFRIFG1 & OFIFG);              // Test oscillator fault flag

    __bis_SR_register(SCG0);                // disable FLL
    CSCTL3 |= SELREF__XT1CLK;               // Set XT1CLK as FLL reference source
    CSCTL1 = DCOFTRIMEN_1 | DCOFTRIM0 | DCOFTRIM1 | DCORSEL_3;// DCOFTRIM=3, DCO Range = 8MHz
    CSCTL2 = FLLD_0 + 243;                  // DCODIV = 8MHz
    __delay_cycles(3);
    __bic_SR_register(SCG0);                // enable FLL

    Software_Trim();                        // Software Trim to get the best DCOFTRIM value
    CSCTL4 = SELMS__DCOCLKDIV | SELA__XT1CLK;  // Set ACLK = XT1CLK = 32768Hz
                                         // DCOCLK = MCLK and SMCLK source
    CSCTL5 |= DIVM_0 | DIVS_1;           // MCLK = DCOCLK = 8MHZ,
                                         // SMCLK = MCLK/2 = 4MHz
    P1DIR |= BIT0 | BIT1 | BIT2;         // set ACLK SMCLK and LED pin as output
    P1SEL1 |= BIT0 | BIT1;               // set ACLK and  SMCLK pin as second function
    PM5CTL0 &= ~LOCKLPM5;                // Disable the GPIO power-on default high-impedance mode
                                         // to activate previously configured port settings
    while(1)
    {
        P1OUT ^= BIT2;                   // Toggle P1.2 using exclusive-OR
        __delay_cycles(10000000);        // Delay for 10000000*(1/MCLK)=1.25s
    }
}

void Software_Trim()
{
    unsigned int oldDcoTap = 0xffff;
    unsigned int newDcoTap = 0xffff;
    unsigned int newDcoDelta = 0xffff;
    unsigned int bestDcoDelta = 0xffff;
    unsigned int csCtl0Copy = 0;
    unsigned int csCtl1Copy = 0;
    unsigned int csCtl0Read = 0;
    unsigned int csCtl1Read = 0;
    unsigned int dcoFreqTrim = 3;
    unsigned char endLoop = 0;
    do
    {
        CSCTL0 = 0x100;                         // DCO Tap = 256
        do
        {
            CSCTL7 &= ~DCOFFG;                  // Clear DCO fault flag
        }while (CSCTL7 & DCOFFG);               // Test DCO fault flag
        __delay_cycles((unsigned int)3000 * MCLK_FREQ_MHZ);// Wait FLL lock status 
                                                // (FLLUNLOCK) to be stable
                                                // Suggest to wait 24 cycles of 
                                                // divided FLL reference clock
        while((CSCTL7 & (FLLUNLOCK0 | FLLUNLOCK1)) && ((CSCTL7 & DCOFFG) == 0));
        csCtl0Read = CSCTL0;                   // Read CSCTL0
        csCtl1Read = CSCTL1;                   // Read CSCTL1
        oldDcoTap = newDcoTap;                 // Record DCOTAP value of last time
        newDcoTap = csCtl0Read & 0x01ff;       // Get DCOTAP value of this time
        dcoFreqTrim = (csCtl1Read & 0x0070)>>4;// Get DCOFTRIM value
        if(newDcoTap < 256)                    // DCOTAP < 256
        {
            newDcoDelta = 256 - newDcoTap;     // Delta value between DCPTAP and 256
            if((oldDcoTap != 0xffff) && (oldDcoTap >= 256)) // DCOTAP cross 256
                endLoop = 1;                   // Stop while loop
            else
            {
                dcoFreqTrim--;
                CSCTL1 = (csCtl1Read & (~DCOFTRIM)) | (dcoFreqTrim<<4);
            }
        }
        else                                   // DCOTAP >= 256
        {
            newDcoDelta = newDcoTap - 256;     // Delta value between DCPTAP and 256
            if(oldDcoTap < 256)                // DCOTAP cross 256
                endLoop = 1;                   // Stop while loop
            else
            {
                dcoFreqTrim++;
                CSCTL1 = (csCtl1Read & (~DCOFTRIM)) | (dcoFreqTrim<<4);
            }
        }
        if(newDcoDelta < bestDcoDelta)         // Record DCOTAP closest to 256
        {
            csCtl0Copy = csCtl0Read;
            csCtl1Copy = csCtl1Read;
            bestDcoDelta = newDcoDelta;
        }
    }while(endLoop == 0);                      // Poll until endLoop == 1
    CSCTL0 = csCtl0Copy;                       // Reload locked DCOTAP
    CSCTL1 = csCtl1Copy;                       // Reload locked DCOFTRIM
    while(CSCTL7 & (FLLUNLOCK0 | FLLUNLOCK1)); // Poll until FLL is locked
}

在程序中会发现，其实我们需要操作的寄存器并不多，很多寄存器直接默认即可，主要就是CSCTL1-5即可，同时程序中有些对GPIO的设置，目的是为了通过输出MCLK,SMCLK,ACLK，以便用户调试或使用。

最后 MSP430 MCU灵魂是超低功耗，因此，在不同的LPM模式下，会关闭相应的时钟，使用时需要注意，参考如下：

 

alan000345

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