【嵌入式Linux】i.MX6ULL 时钟树——理论分析

本文章结合了正点原子的 i.mx6u嵌入式Linux开发指南和笔者的理解。
本文章应配合《 【嵌入式Linux】i.MX6ULL 时钟树——代码梳理（基础时钟初始化）》使用。

0. 时钟树结构

0.1 参考手册 Chapter 18​: Clock Controller Module (CCM)

CCM(Clock Controller Module)，意为时钟控制器模块。

0.2 时钟信号路径

手册中的CMM框图：

1. 晶振：32.768KHz外部的低速晶振、24MHz的外部高速晶振
2. CCM_ANALOG：晶振信号为 analog(模拟) 信号，输入到芯片内部的 PLL(锁相环) 进行倍频，i.MX6ULL 内部有 7 个 PLL，在手册的 CCM_ANALOG 说明了配置方式和寄存器
3. CCM_CLK_SWITCHER：接受 PLL 输出的时钟输出，以及PLLs的旁路时钟，并为CCM_CLK_ROOT_GEN子模块生成交换器时钟输出(pll1_sw_clk, pll3_sw_clk)
4. CCM_CLK_ROOT_GEN：接收主时钟(PLLs / PFDs)并生成输出根时钟
   

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______下面开始对各个部分进行详细的解释______

1. 时钟源——晶振

1.1 外部低频时钟 - CKIL

• 芯片可以使用 32kHz 或 32.768kHz 晶振作为外部低频源 (XTALOSC)。
• 本章将低频晶振统一称为 32kHz 晶振。
• 该时钟源在芯片上电后应始终处于活动状态。
• 进入 CCM 的 32kHz 信号被称为 CKIL。
• CKIL 同步到 IPG_CLK，并提供给需要它的模块。

1.1.1 CKIL 同步到 IPG_CLK 解释

• 当系统处于功能模式时，CKIL 同步到 IPG_CLK。
• 当系统处于停止模式（没有 IPG_CLK）时，CKIL 同步器被绕过，原始的 CKIL 被提供给系统。
• 也就是说系统正常工作，没有进入停止模式的时候，外部低频时钟 CKIL 会同步到 IPG_CLK；但是当进入停止模式的时候，同步器就不会生效，系统将外部低频晶振的信号。

1.2 外部高频时钟 - CKIH 和 内部振荡器

• 芯片使用内部振荡器产生参考时钟 (OSC)。
• 内部振荡器连接到外部晶体 (XTALOSC)，产生 24MHz 参考时钟。

1.3 总结

• i.MX6ULL 芯片使用外部低频晶体 (32kHz) 作为 CKIL，并同步到 IPG_CLK。
• 芯片使用内部振荡器连接到外部高频晶体 (24MHz) 产生参考时钟。

1.4 缩写补充

• CCM 是 Clock Control Module (时钟控制模块)，负责管理芯片内部的时钟信号。
• CKIL 代表 Clock Input Low，即低频时钟输入。
• IPG_CLK 是 Integrated Peripheral Clock (集成外设时钟)，是芯片内部外设使用的时钟信号。

2. PLL时钟

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2.1 i.MX6U 芯片 PLL 时钟表格

2.2 i.MX6U 芯片 PLL 时钟详解

i.MX6U 芯片拥有多个 PLL（Phase-Locked Loop，锁相环）模块，用于生成各种频率的时钟信号，为芯片内部的不同模块和外设提供时钟源。下面整理了 i.MX6U 芯片的 7 个主要 PLL：

1. ARM_PLL (PLL1)

• 用途: 为 ARM 内核提供时钟信号。
• 倍频: 可编程，最高可倍频至 1.3GHz。
• 特点: ARM 内核的运行速度直接取决于此 PLL 的输出频率。

2. 528_PLL (PLL2)

• 用途: 为系统总线、内部逻辑单元、DDR 接口、NAND/NOR 接口等提供时钟源。
• 倍频: 固定 22 倍频，不可编程。
• 输出频率: 24MHz * 22 = 528MHz。
• 特点: 该 PLL 以及其生成的 4 路 PFD (PLL2_PFD0~PLL2_PFD3) 是 i.MX6U 内部系统总线的核心时钟源。

3. USB1_PLL (PLL3)

• 用途: 主要用于 USB1PHY，但也可作为其他外设的时钟源。
• 倍频: 固定 20 倍频。
• 输出频率: 24MHz * 20 = 480MHz。
• 特点: 该 PLL 以及其生成的 4 路 PFD (PLL3_PFD0~PLL3_PFD3) 可用于多种外设。

4. USB2_PLL (PLL7)

• 用途: 为 USB2PHY 提供时钟信号。
• 倍频: 固定 20 倍频。
• 输出频率: 24MHz * 20 = 480MHz。
• 特点: 虽然序号标为 4，但实际是 PLL7。

5. ENET_PLL (PLL6)

• 用途: 用于生成网络所需的时钟信号。
• 倍频: 固定 20+5/6 倍频。
• 输出频率: 24MHz * (20+5/6) = 500MHz。
• 特点: 可在此 PLL 的基础上生成 25/50/100/125MHz 的网络时钟。

6. VIDEO_PLL (PLL5)

• 用途: 用于显示相关外设，例如 LCD。
• 倍频: 可调整，输出范围在 650MHz~1300MHz。
• 分频: 可选 1/2/4/8/16 分频。
• 特点: 可根据显示设备的需求调整输出频率和分频比。

7. AUDIO_PLL (PLL4)

• 用途: 用于音频相关外设。
• 倍频: 可调整，输出范围在 650MHz~1300MHz。
• 分频: 可选 1/2/4 分频。
• 特点: 可根据音频设备的需求调整输出频率和分频比。

总结:

i.MX6U 芯片通过多个 PLL 模块，生成各种频率的时钟信号，为芯片内部的不同模块和外设提供时钟源。每个 PLL 的倍频和分频都可以根据需要进行配置，以满足不同外设的需求。

3. PFD是什么

3.1 PFD概述

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相位分数分频器 (Phase Fractional Divider, PFD) 在 NXP 处理器中的应用，与 锁相环 (PLL) 的关系：

PFD 是 PLL 中的一个重要组成部分，它可以将 PLL 的输出频率进行分数分频，从而产生更精确的时钟频率。

1. PFD 的输出频率： PFD 的输出频率是 PLL 的 VCO 频率的倍数，但可以是分数倍数。例如，输出频率可以是 Fvco * 18/N，其中 N 的取值范围为 12-35。
2. PFD 的作用： PFD 可以动态调整时钟频率，而无需重新锁定 PLL。这对于支持动态电压和频率缩放 (DVFS) 非常有用，因为 DVFS 可以根据负载情况动态调整 CPU 的频率和电压，从而降低功耗。
3. PFD 的控制： PFD 的时钟门控可以通过 CCM_ANALOG_PFD_480n 或 CCM_ANALOG_PFD_528n 寄存器中的 PFDx_CLKGATE 位进行控制。在 PLL 上电或重新锁定后，需要将 PFDx_CLKGATE 位循环开、关 (1 到 0) 以确保 PFD 正确工作。
4. PFD 的配置： 更多关于 PFD 配置的细节可以在 NXP 网站的工程公告 EB790 中找到。

总之，PFD 是 PLL 中的重要组成部分，它可以实现分数分频，从而产生更精确的时钟频率，并支持 DVFS 功能。PFD 的控制和配置需要按照 NXP 的规范进行操作。

3.2 PFD寄存器配置

P738

• 以PLL2(systemPLL)的4个PFD为例
• 4个PFD由一个32位寄存器配置：528MHz Clock (PLL2) Phase Fractional Divider Control Register (CCM_ANALOG_PFD_528n)
  

寄存器结构:

• 每个字段对应寄存器中的特定位。
• 字段名称以 PFD 开头，代表 Phase Frequency Divider，即 相位频率分频器。
• 数字 0 到 3 代表不同的分频器。
• 后缀 _FRAC 代表 Fractional Divide Value，即 分数分频值。
• 后缀 _CLKGATE 代表 Clock Gate，即 时钟门控。
• 后缀 _STABLE 代表 Stable，即 稳定。

字段描述:

总结:

CCM_ANALOG_PFD_528n 寄存器控制着 i.MX 6ULL 处理器中四个分数分频器的配置，包括时钟门控、稳定性状态和分数分频值。这些分频器用于生成不同频率的时钟信号，以满足各种外设的需求。

1. CLKGATE 位 (Clock Gate): 时钟门控

• 作用: CLKGATE 位控制着对应 PFD 的时钟信号是否被开启或关闭。
• 值:
  • 0: 时钟信号开启，PFD 正常工作，可以输出分频后的时钟信号。
  • 1: 时钟信号关闭，PFD 处于关闭状态，不输出时钟信号。
• 目的:
  • 省电: 当某个外设不需要时钟信号时，可以通过设置 CLKGATE 位为 1 来关闭该 PFD 的时钟，从而减少功耗。
  • 控制时钟信号: 在某些情况下，可能需要动态地控制某个外设的时钟信号，例如在系统启动或进入低功耗模式时。

2. STABLE 位 (Stable): 稳定性状态

• 作用: STABLE 位指示对应 PFD 的输出时钟信号是否已经稳定。
• 值:
  当新的分数分频值生效时，位域的值会反转（从 0 变为 1 或从 1 变为 0）。这个反转就像一个信号，表明分频器已经完成调整。
• 目的:
  • 诊断: STABLE 位是一个只读位，用于诊断 PFD 的稳定性。
  • 确保时钟信号质量: 在修改 PFD 的分数分频值后，需要等待 STABLE 位反转，才能确保输出的时钟信号稳定可靠。

4. AHB是什么

AHB 是 Advanced High-performance Bus 的缩写，中文意思是 高级高性能总线。它是一种同步总线协议，广泛应用于嵌入式系统和微处理器中，用于连接 CPU、内存控制器、外设等重要模块。

AHB 总线的主要特点：

• 高性能： AHB 总线采用同步传输方式，并支持突发传输，可以实现高速的数据传输。
• 灵活的地址空间： AHB 总线支持 32 位地址空间，可以连接大量的模块。
• 多主控支持： AHB 总线可以支持多个主控设备，例如 CPU、DMA 控制器等。
• 错误检测机制： AHB 总线包含错误检测机制，可以检测数据传输过程中的错误。
• 支持多种传输模式： AHB 总线支持多种传输模式，例如单字节传输、字传输、突发传输等。
• 支持多种数据宽度： AHB 总线支持 8 位、16 位、32 位等多种数据宽度。

AHB 总线的工作原理：

AHB 总线采用同步传输方式，即所有模块都使用同一个时钟信号。主控设备通过总线发送地址和控制信号，从设备根据地址和控制信号进行数据传输。

AHB 总线的应用：

AHB 总线广泛应用于各种嵌入式系统和微处理器中，例如：

• ARM 处理器： ARM 处理器通常使用 AHB 总线连接 CPU、内存控制器、外设等模块。
• FPGA： FPGA 中也经常使用 AHB 总线连接不同的模块。
• SoC： SoC 中也经常使用 AHB 总线连接不同的模块。

5. IPG是什么

IPG是 Intergrated Peripheral Clock 的缩写。

IPG 是一个 集成外设时钟，它提供给 i.MX6ULL 芯片上的各种外设，例如：

• UART
• SPI
• I2C
• CAN
• GPIO
• ADC
• DAC
• 等等

G 在 IPG 中代表 Generator，即 时钟发生器。IPG 时钟发生器是一个独立的模块，它可以产生各种频率的时钟信号，以满足不同外设的需求。

Peripheral Clock 是指 外设时钟，它是由 IPG 时钟发生器产生的，并分配给特定外设使用的时钟信号。每个外设都有自己的时钟频率，可以通过配置 IPG 时钟发生器来设置。

总结：

• IPG 是 Integrated Peripheral Clock 的缩写，代表集成外设时钟。
• G 代表 Generator，即时钟发生器。
• Peripheral Clock 是由 IPG 时钟发生器产生的，并分配给特定外设使用的时钟信号。