MSP430X5XX的时钟系统与低功耗模式

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MSP430X5XX的时钟系统与低功耗模式 [复制链接]

430系列单片机中有各种时钟信号，第一次接触免不了一头雾水。而且如果想发挥430低功耗的优势，就不得不对它的时钟系统（Unified Clock System）有所了解。
1. 时钟模块总览

这是MSP430X5XX的时钟系统框图。乍一看很复杂，不过简化之后就清楚多了

整个系统主要分为左右两大块，左边是时钟源模块，右边是时钟调整模块。
左边的模块——XT1、内建时钟（DCO）、XT2用来产生时钟源，也就是右边最终输出的时钟信号的基准信号。
而时钟调整模块负责将源时钟信号选通、分频输出成系统使用的三大时钟信号——MCLK，ACLK和SMCLK，分别是系统的主时钟（供CPU使用），辅助时钟（可给外设模块使用，也可以从管脚引出），子系统时钟（外设模块时钟，可从管教引出）。
2. 调整模块
调整模块的主要工作分为两步：选通、分频。ACLK调整模块如下图所示

左端进线是源时钟信号。红色标出来的是XT1CLK信号。由图易知，XT1CLK要变成ACLK信号，需要经过两次选通，一次分频，也就是我红色标出来的路径。第一个选通器可通过设置SELA来控制，分频器可以通过设置DIVA来控制，正常工作的时候，最后一个选通器总是打开的，这里不讨论。换言之，要想设置ACLK，我们只需要配置SELA和DIVA。例如，如果我们希望ACLK是XT1CLK的2分频的话，需要设置SELA={0}，DIVA={1}。再给一个来自TI的例子

UCSCTL4 |= SELA_2;                        // Set ACLK = REFO

这句话将ACLK的源设置为REFO。
SELA具体的含义如下图所示：

顺便说一句，TI的这个例子没有设置DIVA，用了默认值。
3.REFO、VLO和DCO
有了上述的理解，再参照slau208e，我相信不难写出我们想要的代码。不过整个UCS中最有特色的部分还没有介绍，那就是REFO、VLO和DCO。
REFO是内建的参考时钟，它很稳定，可以作为FLL的时钟基准（FLL是什么待会再说）。MSP430F5418上的REFOCLK是32.768kHz的。
VLO是一个内建的低频时钟。在5418上，它的频率是8.6kHz。
DCO是Digitally-Controlled Oscillator，数控晶振。它可以产生频率很高的时钟。通过配置，它可以产生百兆以上的时钟信号。在5418上，电压等级1的时候，不用XT2，有FLL（这个FLL到底是什么呢？），我调出的最高频率是26MHz。
吊了这么半天胃口，来说一下这个FLL是什么东西。
FLL是Frequency Locked Loop，锁频环。先来个特写
FLL的作用是稳定DCO的输出，让它不受扰动的影响。它是一种反馈。前边我们说过，REFO是个很稳定的内部时钟信号。FLL可以拿REFOCLK做参考，以此来自动校准并稳定DCOCLK和DCOCLKDIV。除了REFOCLK之外，还可以用XT1或XT2做FLL的参考信号。当启用FLL之后（默认启用），图中的DCO，MOD可以不用设置，FLL会自行调整这两个值。DCO输出的频率与以下几个量有关：

FLLD，FLLN，FLLREFDIV，FLLREFCLK

计算公式如下：

fDCOCLK = D × (N + 1) × (fFLLREFCLK ÷ n)
fDCOCLKDIV = (N + 1) × (fFLLREFCLK ÷ n)

其中

D=1，2，4，8，16，32（对应FLLD=0，1，2，3，4，5）
N=FLLN
n=1，2，4，8，12，16（对应FLLREFDIV=0，1，2，3，4，5）
fFLLREFCLK为REFOCLK，XT1或XT2的实际频率。

比如，我们想设置DCO输出1MHz的时钟信号，可以设置这样一组值：

FLLD=1，对应D=2；FLLN=60；FLLREFDIV=2，对应n=4；fFLLREFCLK=fREFOCLK=32.768kHz

所以

fDCOCLK=2×（60+1）×（32.768/4）=999.424kHz，fDCOCLKDIV=fDCOCLK/2=499.712kHz

实际测试fDCOCLK=1.006MHz。
4.频率范围和电压等级
MSP430把内核的工作频率划分为若干范围，比如543x和541x的工作频率就被分为了8个范围。每个范围又被DCO这个参数分为了32个小段，每个小段又被MOD分为32个小小段（待验证）。所以可以把DCO看作是粗调旋钮，MOD是微调旋钮。另外，需要注意的是，这个频率范围是指DCO的频率范围，当DCO被禁用的时候，这个范围就没意义了。
喜欢超频的同学都知道，核心电压和工作频率之间有着密切的关系。430单片机也是如此，它有4个电压等级，涵盖了从1.2V到2V广阔的核心电压范围。
一般来说，核心电压越高，频率范围越大，功耗越大；核心电压越低，频率范围越小，功耗越小。
当电压等级为1的时候（默认电压等级），5418的各个频率范围的可用上下限如下表所示：

5418各频率范围上下限详表

从这个表中可以看出，除了前边谈到的几个参数，还有大量的其他寄存器参数。具体的含义可以从参考文献中查知。如果觉得翻看pdf太累的话，可以向我索要xls格式的详表（moosewolerATgmailDOTcom），上边有我加的批注和公式，可以帮助大家方便的设置频率。
5.UCS关键寄存器
详表中我用颜色对8个UCS相关的寄存器进行了分组。这8个寄存器可以分为6组：

• UCSCTL0、UCSCTL1：DCO配置寄存器。配置DCO频率范围。禁用FLL的时候，设置DCO的开环输出频率。
• UCSCTL2、UCSCTL3：FLL配置寄存器。这个已经在3.REFO、VLO和DCO中讲过了
• UCSCTL4、UCSCTL5：MCLK、SMCLK、ACLK配置寄存器。这个在2. 调整模块中讲过了
• UCSCTL6：外置晶振配置寄存器。可以设定外接晶振的驱动电流，内置电容等参数。
• UCSCTL7：UCS模块错误寄存器。可以指示UCS当前的错误状态
• UCSCTL8：UCS请求寄存器。这个后面解释
  

因为54xx系列单片机内置晶振（REFO），所以

• FLL配置寄存器是最重要的一组寄存器，它直接和工作频率相关。
• 其次是DCO配置寄存器，说它重要，只是因为DCORSEL这个参数在这组寄存器中。当设置的频率无法达到的时候，先确定一下频率范围是否合适。
  

这两个寄存器弄明白了，就可以让UCS输出正常的工作频率了。
其他的寄存器都各有各的作用，具体怎么用可以查看参考文献。
6.MSP430的低功耗模式


A.1 一个设置时钟频率的样例

void McuSetFrequency(void) {     // 关看门狗     WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD;         // 关FLL，等设置完成后，再开启FLL     __bis_SR_register(SCG0);     // MCLK=SMCLK=1MHz; ACLK=32.768kHz; FLL允许     UCSCTL0    = 0x0000;     UCSCTL1    = 0x0010;     UCSCTL2    = 0x103C;     UCSCTL3    = 0x0022;     UCSCTL4    = 0x0233;     UCSCTL5    = 0x0000;     UCSCTL6    = 0x0101;     UCSCTL7    = 0x0000;     UCSCTL8    = 0x0007;         // 重新开启FLL     __bic_SR_register(SCG0);     // 延时等待FLL自动调整DCO，250000是根据8MHz时钟设置的。     // 最惨的状况是FLL把DCO从0开始调到31后才稳定，这个延时即是根据这种情况算得的。     __delay_cycles(250000);     // 等待异常标志清除     // 用VLO和REFO做MCLK的时钟源的时候，不需要考虑这些标志，直接用。     do     {         // 清异常标志         UCSCTL7 &= ~(XT2OFFG + XT1LFOFFG + XT1HFOFFG + DCOFFG);         SFRIFG1 &= ~OFIFG;                         }while (SFRIFG1&OFIFG);     // 看看异常是否还在 }

   

参考文献：
[slau208e] MSP430x5xx Family User Guide
[slas612]   MSP430F543x(A), MSP430F541x(A) Mixed Signal Microcontroller
[slac166o] MSP430F54xx Code Examples Rev0

注：
所有带文献编号的参考文献可以从www.ti.com网站获得。