刘彦文《基于ARM的嵌入式系统原理及应用》第8章

基于ARM的

嵌入式系统原理及应用

刘彦文编著

2017年2月

第8章脉宽调制定时器、实时时钟

及看门狗定时器高等院校信息技术规划教材本课件的配套教材《基于ARM的嵌入式系统原理及应用》

刘彦文清华大学出版社2017/2

第8章脉宽调制定时器、

实时时钟

及看门狗定时器

8.1脉宽调制定时器8.1.1S3C2440A/S3C2410A

脉宽调制定时器概述⒈定时器模块参见图8.1，S3C2440A/S3C2410A有5个16位的定时器。定时器0~3带有脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）功能，这4个定时器的输出信号连接到芯片的TOUT0~TOUT3输出引脚，输出波形的频率和占空比可编程控制。定时器4是一个内部定时器，没有PWM功能，输出信号不连接到芯片引脚。定时器0有一个死区发生器（deadzonegenerator），能够用于对大电流设备进行控制。定时器0和1共用一个8位预分频器（prescaler），定时器2~4共用另一个8位预分频器。定时器计数时钟信号来源于时钟分频器（clockdivider），通过编程能够选择时钟分频器的1/2、1/4、1/8、1/16分频信号或选择使用TCLK0、TCLK1。8位预分频器是可编程的，根据保存在定时器配置寄存器TCFG0中的预分频值，对PCLK分频。定时器配置寄存器TCFG1为每个定时器选择时钟分频信号（1/2、1/4、1/8、1/16）或选择TCLK0、TCLK1。S3C2440A/S3C2410A片内定时器，支持自动重装模式（一次定时结束，以重装值开始下一次定时）或一次脉冲模式（一次定时结束，停止定时器）。定时器模块图见图8.1。

⒉定时器寄存器组成和定时器主要操作过程参见图8.2，除了定时器4，定时器0~3中每个定时器内部，都有下述寄存器。⑴定时器计数缓冲器寄存器TCNTBn，程序可读写，用于保存定时器计数初值。在手动更新（manualupdate）允许时，将这个初值送到定时器计数寄存器TCNTn，在TCNTn中进行递减计数操作。当自动重装（autoreload）允许时，一次计数结束（TCNTn递减计数达到0时），自动将TCNTBn的值装到TCNTn。TCNTBn值的不同，决定了输出信号TOUTn频率的不同。

⑵定时器比较缓冲器寄存器TCMPBn，程序可读写，用于保存定时器比较初值。在手动更新允许时，将这个初值送到定时器比较寄存器TCMPn。当执行计数的TCNTn的值与TCMPn的值相等时，计数器输出信号TOUTn电平由低变高。当自动重装允许时，一次计数结束（TCNTn递减计数达到0时），自动将TCMPBn的值装到TCMPn。TCMPBn的值，被用作脉宽调制，即在输出信号TOUTn频率不变时，对每个输出脉冲低电平、高电平占用时间的调制，也称为输出信号占空比的调制。⑶定时器计数寄存器TCNTn，是内部寄存器，程序不可读写。TCNTn也称为减法计数器、倒计数器或递减计数器。定时器的计数操作在TCNTn中执行。TCNTn计数时钟信号来源于时钟分频器。当TCNTn一次计数结束，或产生DMA请求，或产生中断请求，由编程决定。当一次计数结束，如果自动重装允许时，TCNTBn值送TCNTn、TCMPBn值送TCMPn，开始下一次计数；如果自动重装禁止，则计数器停止。⑷定时器比较寄存器TCMPn，是内部寄存器，程序不可读写。在计数过程中，一旦TCNTn的值与TCMPn的值相等，计数器输出TOUTn电平由低变高。

⑸定时器计数观察寄存器TCNTOn，程序可读写。在计数过程中，如果希望读出TCNTn的值，只能通过读出TCNTOn实现，不能直接读TCNTn的值。要使定时器0~3运行，主要操作包括：

通过编程先送出计数值到TCNTBn，送出比较值（脉宽调制值）到TCMPBn。当设置为手动更新允许时，定时器自动将TCNTBn、TCMPBn的内容送TCNTn、TCMPn。然后设置启动定时器（TCON寄存器对应的start/stop位为1），则TCNTn开始递减计数。计数过程中当TCNTn的值与TCMPn的值相等时，输出信号TOUTn的电平由低变高。如果允许自动重装，当TCNTn计数达到0时，进行重装，同时产生中断请求或DMA请求，再开始下一次定时。如果不允许自动重装，则定时器停止。在计数过程中，可以给TCNTBn和TCMPBn装入一个新的值，在自动重装方式，新的值只能用于下一次定时，对当前正在进行的定时操作，不产生影响。定时器4除了没有TCMPB4和TCMP4寄存器外，其他寄存器与定时器0~3相同。定时器4不能进行脉宽调制，只能通过对TCNTB4设置不同的值，改变输出信号的频率。⒊PWM定时器用到的S3C2410A引脚信号PWM定时器输出信号，作为S3C2440A/S3C2410A的TOUT0~TOUT3引脚信号。可以将S3C2440A/S3C2410A引脚引入的时钟源TCLK1、TCLK0，作为定时器的时钟信号。

8.1.2S3C2440A/S3C2410A脉宽调制定时器操作⒈基本定时操作基本定时操作见图8.3(P321)。⒉自动重装与双缓冲S3C2440A/S3C2410APWM定时器有双缓冲功能，也就是说有两个缓冲器，定时器计数缓冲器寄存器TCNTBn和定时器比较缓冲器寄存器TCMPBn。图8.4(P322)是双缓冲功能的一个举例，图中省略了TCMPBn寄存器的值。

⒊定时器初始使用手动更新位和反相器位当TCNTn在递减计数过程中，一旦达到0时，如果定时器控制寄存器TCON允许该定时器自动重装，会出现自动重装操作。而TCNTn和TCMPn的初值，必须由用户（程序）事先设置，在这种情况下，通过设置定时器控制寄存器TCON中某一定时器的手动更新位为1，初值从TCNTBn、TCMPBn装到TCNTn、TCMPn。以下步骤描述了如何启动定时器开始定时：⑴写初值到TCNTBn和TCMPBn。⑵在定时器控制寄存器TCON中，设置对应定时器的手动更新位为1，之后定时器自动将TCNTBn和TCMPBn值送TCNTn和TCMPn。推荐同时配置反相器on/off位，决定输出TOUTn是否经过反相器。⑶在定时器控制寄存器TCON中设置对应定时器的start/stop位为1，启动该定时器开始定时；同时要清0手动更新位。⒋定时器操作举例定时器操作举例见图8.5(P323)。⒌脉宽调制脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）功能通过使用TCMPBn寄存器来实现，而PWM的频率由TCNTBn寄存器的值确定。图8.6(P324)通过举例，表明了TCMPBn的值越小，TOUTn输出高电平的时间越短，输出低电平的时间越长；而TCMPBn的值越大，TOUTn输出高电平的时间越长，输出低电平的时间越短。

⒍输出电平控制如图8.7(P324)所示，反相器设定为off或on，其输出信号TOUTn的波形高低电平正好相反。⒎死区发生器（deadzonegenerator）使用PWM对大电流设备进行控制时，常用到死区（deadzone）功能。死区功能在切断一个开关设备和接通另一个开关设备之间，允许插入一个时间间隙。在这个时间间隙，禁止两个开关设备同时被接通，即使接通非常短的时间也不允许。当定时器死区功能被允许时，输出波形见图8.8(P325)。⒏DMA请求模式定时器在每段指定时间后（一次定时结束）能够产生DMA请求信号。DMA模式配置和DMA/中断操作见P325表8-1。图8.9(P326)表明，定时器2一旦设置为DMA模式，将不产生中断请求。定时器2的DMA请求和响应时间关系，也在图8.9中给出。

8.1.3

S3C2440A/S3C2410A脉宽调制

定时器特殊功能寄存器⒈定时器配置寄存器0、定时器配置寄存器1和定时器控制寄存器定时器配置寄存器0、定时器配置寄存器1和定时器控制寄存器，寄存器名、地址、R/W、描述及Reset值如表8-2所示，各寄存器具体含义见P326-327表8-3、表8-4和表8-5。定时器输入时钟频率=PCLK/{prescaler值+1}/{divider值}{prescaler值}=0~255{divider值}=2、4、8、162.定时器计数缓冲器寄存器、比较缓冲器寄存器和计数观察寄存器定时器0~4都有计数缓冲器寄存器TCNTBn和计数观察寄存器TCNTOn，定时器4没有比较缓冲器寄存器，定时器0~3有比较缓冲器寄存器TCMPBn。除了地址不同以外，各定时器对应的寄存器含义相同，如P328表8-6和表8-7所示。8.1.4S3C2410A脉宽调制定时器应用举例【例8.1】当PCLK=66.5MHz时，选择不同的时钟分频（1/2、1/4、1/8、1/16）输入，分别计算定时器最小分辨率、最大分辨率及最大定时区间。参见8.1.3节中定时器配置寄存器TCFG0的内容，根据定时器输入时钟频率计算式，计算结果见P328表8-8。⑴最小分辨率：定时器输入时钟的频率=PCLK/{prescaler值+1}/{divider值}=66.5(MHz)/{0+1}/{2}=33.2500(MHz)一个计数脉冲的时间

=1/33.2500(MHz)=0.0300(µs)⑵最大分辨率：定时器输入时钟的频率=PCLK/{255+1}/{2}=66.5(MHz)/256/2=129.8828(KHz)一个计数脉冲的时间=1/129.8828(KHz)=7.6992(µs)⑶最大定时区间：由于TCNTBn=65535，计数到0共65536个计数脉冲，所以65536×7.6992(µs)=0.5045(sec)。【例8.2】下面给出了使用C语言编写的，对定时器0/1/2/3测试的程序片段，假定程序中用到的寄存器地址在别的程序中已定义过，定时器产生中断后的处理程序这里没有列出。

(见P329-331)

8.1.5S3C44B0X脉宽调制定时器S3C44B0X脉宽调制定时器的功能与S3C2440A/S3C2410A脉宽调制定时器的功能相同，组成上主要区别是S3C44B0X多了一个脉宽调制定时器。S3C44B0X有6个16位的定时器，定时器0~4带有脉宽调制功能，定时器5是一个内部定时器。8.2实时时钟8.2.1S3C2440A/S3C2410A实时时钟概述S3C2440A/S3C2410A芯片内部有一个实时时钟（RealTimeClock，RTC）模块，当系统电源闭合时，使用系统提供的电源，当系统电源切断时，由后备电池为RTC模块供电。无论系统加电或切断电源，RTC都在运行；可以对RTC设定报警时间。使用STRB／LDRB指令，可以在RTC和CPU之间传送8位BCD码的数据，包括秒、分、时、日、星期、月、年。RTC模块使用32.768KHz的外部晶振工作。

RTC作为系统时钟使用，也能够执行报警功能、产生节拍时间中断。主要特点有：·

使用BCD码表示秒、分、时、日、星期、月、年；·

有闰年产生器；·

报警功能：有报警中断或从Power_OFF模式中唤醒功能；·

解决了2000年问题；·

独立的电源引脚（RTCVDD）；·

支持毫秒级节拍时间中断，可用于RTOS内核；·

支持秒进位复位功能。RTC用到的S3C2440A/S3C2410A引脚信号有：外接晶振引脚信号XTIrtc、XTOrtc和外接电源引脚RTCVDD（1.8V）。

8.2.2S3C2440A/S3C2410A实时时钟组成与操作RTC组成框图见图8.10。

⒈闰年产生器闰年产生器基于从BCDDATE、BCDMON、BCDYEAR来的数据，确定每个月的最后一天是28、29、30或31日。一个8位的计数器只能表示2位BCD数字，因此它不能确定00（年的最低2位数字）年是闰年或不是闰年。为了解决这一问题，在S3C2410A的RTC模块中有一个硬件逻辑支持2000年作为闰年。要注意1900年不是闰年而2000年是闰年。因此在S3C2410A中，2位BCD码的00代表2000年，而不是1900年。⒉读/写寄存器RTCCON控制寄存器位[0]必须被设置为1，然后才可以写RTC模块中的寄存器。如果这一位被设置为0，不能写入RTC模块中的寄存器。⒊后备电池当系统电源切断时，通过RTC引脚提供电源到RTC模块，RTC逻辑由后备电池驱动。这时CPU接口与RTC的逻辑被阻塞，后备电池仅仅驱动晶振电路和BCD计数器，使得BCD计数器功耗为最小。⒋报警功能在SLEEP/Power_OFF模式或Normal操作模式，RTC在规定的时间产生一个报警信号。在Normal操作模式，报警中断INT_RTC/ALMINT被激活；在SLEEP/Power_OFF模式，像INT_RTC/ALMINT一样，电源管理唤醒信号PMWKUP也能够被激活，详见8.2.3节。RTC报警控制寄存器RTCALM，确定报警允许/禁止和报警时间设定条件。⒌节拍时间（ticktime）中断RTC节拍时间被用作中断请求。节拍时间计数寄存器TICNT有1位中断允许位和7位节拍时间计数值位。计数值达到0时，节拍时间中断出现。中断周期计算如下：Period=(n+1)/128（second）式中：n为节拍时间计数值，范围为1～127。⒍进位复位功能(roundresetfunction)进位复位功能由RTC进位复位寄存器RTCRST来实现。产生秒进位的边界（30、40或50秒）可以选择，在进位复位后，秒的值被设置为0。例如，如果当前时间是23：37：47，并且设置进位边界为40秒，则进位复位功能改变当前时间为23：38：00。⒎32.768KHz外接晶振连接举例图8.11是使用32.768KHz晶振作为RTC单元晶振电路的一个实例。8.2.3S3C2440A/S3C2410A实时时钟

特殊功能寄存器⒈RTC控制寄存器RTC控制寄存器RTCCON由4位组成，位[0]即RTCEN用作控制禁止/允许对RTC寄存器的写入，而其他3位CLKSEL、CNTSEL、CLKRST用于测试。RTCCON寄存器地址、Reset值及各位含义见P334-335表8-9和表8-10⒉RTC报警控制和报警数据寄存器RTC报警控制寄存器RTCALM，确定允许/禁止报警和报警时间。在SLEEP/Power_OFF模式，通过INT_RTC/ALMINT和PMWKUP，RTCALM寄存器产生报警信号，参见图8.10。在Normal操作模式，仅仅通过INT_RTC/ALMINT产生报警信号。RTC报警控制和报警数据寄存器地址及Reset值见P335表8-11，寄存器各位的含义见表8-12。

⒊RTC进位复位寄存器RTC进位复位寄存器RTCRST，Reset值为0x0，地址及各位含义见P336表8-13。⒋节拍时间计数寄存器节拍时间计数寄存器TICNT，Reset值为0x00，地址及各位含义见P337表8-14。⒌秒、分、时、日、星期、月、年数据寄存器可以对这些寄存器设置当前时间和日期，读取当前时间和日期。这些寄存器使用BCD值，Reset值未定义，地址及各位含义见表8-15。8.2.4RTC程序举例【例8.3】下面给出了测试RTC的程序片段。寄存器与地址的对应值在其他文件中定义过了，此处省略。第1段程序读RTC日期、时间各寄存器值并显示；第2段程序由输入值设置RTC。

(见P338-310)8.3看门狗定时器8.3.1看门狗定时器概述看门狗定时器（WatchDogTimer，WDT）简称看门狗，属于定时器中的一种。⒈一般看门狗定时器概述一般看门狗定时器，通常可以由程序控制允许/禁止看门狗定时器，允许即启动定时器，禁止即停止定时器。看门狗定时器内部最少有一个计数寄存器，执行计数操作。使用时应该由程序给这个计数寄存器设定一个计数初值，然后允许看门狗定时器（启动），来一个计数脉冲，计数寄存器计一次数。对于减法计数器，当减到0时，产生一个定时输出信号，通常把这个定时输出信号作为内部Reset信号使用，重新启动控制器（指CPU中的控制器）。简单地说，使用看门狗定时器，目的是当运行的程序受到了干扰，发生了死循环，或者由于运行的程序内部事先未发现的错误，导致程序不是按照程序员预定的运行路线运行时，看门狗定时器能够重新启动控制器。

⒉S3C2440A/S3C2410A看门狗定时器概述S3C2440A/S3C2410A片内有一个看门狗定时器模块，当控制器的操作受到像噪音或系统错误的干扰时，看门狗定时器能够重新启动控制器操作；这个定时器也能被用作一个通常的16位间隔时间定时器，产生中断请求。看门狗定时器用于重启控制器时，在看门狗定时器计数寄存器WTCNT中执行计数操作，当允许看门狗定时器时（WTCON[5]=1），每来一个计数脉冲，减1。当计数值减到0时，能够产生一个长度为128个PCLK时间长度的复位（Reset）信号。8.3.2看门狗定时器操作⒈

看门狗定时器源时钟的分频看门狗定时器功能框图如图8.12所示。

看门狗定时器用PCLK作为它唯一的源时钟。为了产生相应的看门狗定时器时钟，PCLK先被预分频，之后再次被分频（称为时钟分频）。预分频值和时钟分频值的选择，在看门狗定时器的控制寄存器WTCON中被指定。合法的预分频值的范围从0到255。时钟分频值可以选择16、32、64或128。使用下式计算看门狗定时器时钟频率和每个定时时钟周期的时长。t_watchdog=1/(PCLK/(Prescalervalue+1)/Division_factor)（式8.1）式中Prescalervalue为预分频值，Division_factor为分频因子，即时钟分频选择的值。⒉WTDAT和WTCNT一旦看门狗定时器被允许（启动），看门狗定时器数据寄存器WTDAT（WatchdogTimerDataRegister）的值不能被自动装入定时器计数寄存器WTCNT中，由于这个原因，计数初值必须同时