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1、,2015年6月,单片机与嵌入式系统实践,第七章 时钟系统与内部时钟发生器,Slide 1,目录,7.1 HCS08单片机时钟系统 7.2 ICG的操作寄存器 7.3 时钟模块工作模式 7.4 时钟系统配置与应用 7.5 项目实践 项目1 ICG功能基础实践 项目2 LED闪烁调速控制,Slide 2,7.1 HCS08单片机时钟系统,时钟系统是微控制器工作的基础，MCU的所有操作均在一定的时钟节拍下统一而协调地运行。因此，在设计嵌入式应用系统电路时要注意时钟系统的工作质量和稳定性。HCS08单片机具有性能优异的内部时钟发生装置，能在较低的外部时钟下实现较高的内部时钟频率，从而降低了系统的高频
2、噪声和电路设计的复杂度，提升了系统性能。,Slide 3,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.1 系统时钟分配 HCS08微控制器的时钟系统主要由S08内部时钟发生器（ICG)、系统时钟控制（SYSTEM CONTROL LOGIC）和总线时钟（BUSCLK）等部分组成。,Slide 4,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.2 ICG组成结构 内部时钟发生器ICG模块采用锁频环技术FLL和内部倍频技术等，可在无需任何外界时钟发生器的情况下，通过软件设置实现高达20 MHz的内部总线时钟频率。ICG由4个子模块构成：振荡器模块、内部参考时钟发生器、锁频环(FLL)和时钟选择模块。,S
3、lide 5,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.2 ICG组成结构 (1)振荡器模块 用于外接晶体振荡器，可通过软件选择两种晶体振荡器频率范围：32100 kHz低频范围或116 MHz高频范围，以获得最佳的启动和稳定性能。 (2)内部参考时钟发生器 由两个可控时钟源组成：一个产生大约8 MHz的ICGLCLK时钟，可作为背景调试控制器的局部时钟；另一个内部时钟参考源ICGIRCLK的典型值为243 kHz，可作为FLL模的参考输入。,Slide 6,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.2 ICG组成结构 (3)锁频环 FLL锁频环用于倍频内部或者外部时钟源，得到一个非常高且稳定
4、的频率输出，结构如下图所示。FLL由 3个主要模块组成：时钟参考选择、数控振荡器和用于比较其他两个模块输出的数字环路滤波器。,Slide 7,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.2 ICG组成结构 (4)时钟选择模块 该模块用于选择不同的时钟源连接到系统时钟树上，ICGDCLK是FLL输出的倍频时钟，ICGERCLK是晶体或外部时钟源参考时钟频率，FFE 是一控制信号，用于控制系统固定时钟，ICGLCLK是背景调试控制器(BDC)的时钟源。 ICG模块的输出时钟有四个时钟：ICGOUT、FFE、ICGLCLK和ICGERCLK。 ICG的主输出为ICGOUT，它用于生成CPU和系统总线的
5、时钟信号 。 FFE是ICG内部产生的一个控制信号，用于选定固定时钟XCLK的颁率fXCLK。 ICGLCLK，大约8 MHz的内部自供时钟源ICGLCLK来加快BDC通信。 ICGERCLK，外部参考时钟ICGERCLK可被用于实时中断时钟源，也可用于ADC模块时钟ALTCLK的时钟源。,Slide 8,7.1 HCS08单片机时钟系统,7.1.3 时钟系统性能特性 对于飞思卡尔S08系列的CPU而言，由于时钟频率是总线时钟频率的2倍，最高总线频率为20 MHz，因而CPU速率可达40 MHz。工作时MCU除了可以对外接的高频时钟2分频得到总线时钟外，内部也可以通过ICG对外接的32100
6、kHz范围的低频时钟或116 MHz范围的高频时钟进行倍频，得到高达20 MHz的总线时钟频率。 利用外接低频时钟源获得较高的内部操作时钟，是Freescale MCU的特点和优点之一，这样可以大大降低系统的高频噪声，提高系统的EMC性能，增强系统的可靠性和稳定性。ICG模块提供了多种时钟源选择，允许用户在成本、精度、电流驱动和性能等方面做出各种选择,Slide 9,7. 2 ICG的操作寄存器,ICG模块具有两个8位的控制寄存器(ICGC1、ICGC2)，两个8位的状态寄存器(ICGS1、ICGS2)，一个12位的滤波寄存器(ICGFLT)和一个8位的调整寄存器(ICGTRM)。用户对ICG
7、模块的操作都是通过对这些寄存器的设定来实现的。 （1）ICG 控制寄存器1（ICGC1）,Slide 10,7. 2 ICG的操作寄存器,（2）ICG 控制寄存器2（ICGC2） （3）ICG 状态寄存器1（ICGS1） （4） ICG 状态寄存器2（ICGS2）,Slide 11,7. 2 ICG的操作寄存器,（5）ICG 滤波器寄存器（ICGFLTU、ICGFLTL） （6）ICG 调整寄存器（ICGTRM）,Slide 12,7.3 时钟模块工作模式,HCS08单片机的ICG模块具有5种工作模式：关断(OFF)模式、自时钟(SCM， Self-Clocked Model)模式、启用FLL
8、且采用内部时钟源模式(FEI，FLL Engaged Internal)、旁路FLL且采用外部时钟源模式(FBE，FLL Bypassed External)和启用FLL且采用外部时钟源模式(FEE，FLL Engaged External) SCM和FEI两种模式都不需要外接元件，MCU可以使用内部时钟源产生系统时钟。,Slide 13,7.3 时钟模块工作模式,7.3.1 OFF模式 当执行STOP指令后，CPU进入STOP模式，内部时钟输出ICGOUT关闭，ICG模块将停止所有的时钟活动进入OFF模式。 7.3.2 自时钟模式（SCM） 自时钟模式(SCM)是MCU复位之后的默认工作模式
9、，在复位后立即进入，此时ICGOUT的频率通常约为8 MHz左右，这样无须用户编程就可以快速、可靠地得到4 MHz的总线频率。,Slide 14,7.3 时钟模块工作模式,7.3.3 FLL内部时钟模式（FEI） 在FEI模式下，MCU不需要外接晶振，而是使用内部FLL对内部243 kHz的参考时钟IRG进行倍频生成ICGOUT时钟频率，即 fICGOUT=(fIRG7)64N/R 式中，fICGOUT的典型值为243KHz；N为倍频因子取值范围从4到18，按2递增；R为分频因子，取值范围从l到128，按2的幂级数递增；N和R都是通过控制寄存器ICGC2中的MFD位和RFD位设定的。,Slid
10、e 15,7.3 时钟模块工作模式,7.3.4 FLL旁路外部时钟模式（FBE） 在FBE模式下，ICG内部FLL被旁路，MCU不再使用倍频电路，而仅仅对外部时钟ICGERCLK进行分频生成系统时钟，即 fICGOUT =fEXT/R 式中，R为分频因子，取值范围从1到128，按2的n次幂递增，可通过控制寄存器ICGC2中的RFD位设定。 当外接晶振时，晶振的频率必须处于32100 kHz的低频范围（RANGE=0）或者116 MHz的高频范围（RANGE=1），此时还应该确保ICG1寄存器中的REFS被设置为1；当使用外部时钟源时，高、低频率范围被忽略，方波的频率要被限定在40 MHz以内，
11、并且要把ICG1寄存器中的REFS位设为0 .,Slide 16,7.3 时钟模块工作模式,7.3.5 FLL外部时钟模式（FEE） 在FEE模式下，MCU使用内部的FLL对外部参考时钟ICGERCLK进行倍频生成系统时钟，即 fICGOUT = fEXT P N/R 式中，外接晶振频率fEXT =32100 kHz低频范围时P=64，外接晶振频率fEXT =210 MHz高频范围时P=l；N为倍频因子，取值范围从4到18，按2递增；R为分频因子，取值范围从l到128，按2的n次幂递增；N和R都通过控制寄存器ICGC2中的MFD位和RFD位设定。FEE模式下外部时钟源的最高频率限定在10 MH
12、z以内以免DCO时钟溢出。FLL的倍频因子最大为4，由于410 MHz=40 MHz，已经等于DCO的限制值，所以外部参考时钟源不能快于10 MHz。,Slide 17,7.4 时钟系统配置与应用,7.4.1 时钟选择方法 在一些应用中常常会涉及到使用准确的参考时钟，或采用最低功耗时钟，甚至是一些低成本的时钟系统，对此，HCS08单片机的ICG模块具有很大的灵活性，能为不同的应用提供了最佳的时钟,Slide 18,7.4 时钟系统配置与应用,7.4.2 时钟系统初始化配置 时钟系统的初始化配置主要是通过设置ICG模块实现的，用户可以通过自己编写初始化代码或者使用Codewarrior开发环境提
13、供的快速设置工具PE中的Device Initialization来实现时钟系统的初始化配置,Slide 19,7.5 项目实践,项目1 ICG功能基础实践 要求： 单片机的GPIO接口连接一LED小灯，使用ICG模块设置系统时钟频率，要求使用内部时钟源，总线时钟频率设约为5MHz左右，实现小灯闪烁。 方案设计： 选取PTA0端口连接一LED小灯，采用“灌电流”方式驱动，端口输出低电平时小灯点亮，利用软件延时实现小灯闪烁。在时钟设置方面，使用处理器专家（PE）功能中的Device Initialization工具设置系统时钟，在ICG模块中设置内部参考时钟（243KHz），使能FLL功能将时钟
14、信号倍频，再通过模块分频得到内部5MHz左右总线频率。 具体内容详见教材,Slide 20,7.5 项目实践,项目2 LED闪烁调速控制 要求： 单片机的GPIO接口连接一LED小灯，通过ICG模块改变系统时钟频率，要求使用4MHz晶振做外部时钟源，实现不同内部总线频率控制下小灯闪烁速度的变化。其中总线时钟频率分别为1MHz、4MHz、10MHz，每种频率下小灯闪烁次数为10次。 方案设计： 在时钟配置方面，ICG模块选择外部参考时钟源，使用4MHz晶振，使能FLL功能将时钟信号倍频，然后通过时钟分频分别得到1MHz、4MHz和10MHz的内部总线频率。通过调用不同的ICG配置函数改变总线时钟频率以实现闪烁速度的变化。 具体内容详见教材,