总线与时钟

ARM

AHB 总线

AHB（Advanced High-performance Bus）是一种在 ARM 体系结构中广泛使用的高性能总线标准，主要用于连接各种处理器和外设。它是 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的一部分，AMBA 是 ARM 设计的总线标准，用于增强不同模块之间的通信。

AMBA 架构通过不同的总线协议（AXI、AHB、APB、ACE 和 ATB），提供了从高带宽、高性能的数据传输到低功耗、简单控制的各种通信方式。设计师可以根据具体应用的需求，选择适合的总线类型，以优化性能、功耗和系统复杂度。

GD32F407xx 微控制器框图

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模块分析：

1.ARM Cortex-M4 Processor

  • 处理器核心，最高频率为 168MHz，负责执行代码和处理数据。
  • TPIU：核心支持 JTAG/SWD 调试接口，便于调试和编程。
    • TPIU（Trace Port Interface Unit）是一种用于调试和追踪的接口单元。它可以将处理器的调试和追踪信息输出到外部调试器或分析仪中，以帮助开发人员进行软件调试和性能分析。
  • 通过 AHB（Advanced High-performance Bus） 总线与其他模块相连，AHB 最大频率也为 168MHz。

2.存储器模块

  • 包括 Flash Memory（闪存）、SRAM0、SRAM1 和 TCMSRAM，用于存储程序代码、数据和高速缓存。
  • FMC（Flash Memory Controller） 用于控制闪存的访问。

3.DMA（Direct Memory Access）控制器

  • 包括 DMA0 和 DMA1，用于在外设和存储器之间进行数据传输，而不占用处理器资源。
  • 通过 AHB总线 直接访问存储器和外设。

4.外设接口

  • 包括 USBHS、ENET（以太网接口） 和 EXMC（外部存储控制器），可以连接外部设备和网络。
  • AHB1外设和AHB2外设通过 AHB接口矩阵连接主总线，这些外设包括 GPIO（通用输入输出）、CRC（循环冗余校验）、BKP SRAM（备用SRAM）、TRNG（真随机数生成器）、DCI（数字摄像接口）等。

5.APB总线（Advanced Peripheral Bus）

  • APB1 和 APB2 两条总线用于连接相对低速的外设。
  • APB1 包括 UART、I2C、SPI 等串行通信接口、I2S 音频接口以及定时器（TIMER）等。
  • APB2 连接 ADC（模数转换器）、SPI0、USART、SDIO（SD卡接口）等外设模块。

6.电源管理模块

  • 包括 LDO（低压差稳压器）、PMU（电源管理单元）、POR/PDR（上电复位/掉电复位）等，用于管理芯片的电源供应和复位。
  • 支持多个电源域，以降低功耗并提供稳定的电源管理。

7.时钟和振荡器

  • 包括 HXTAL（高频晶振）、LXTAL（低频晶振）、IRC16M（16MHz内部时钟）和 IRC32K（32kHz内部时钟）。
  • 时钟树由 RCU（复位和时钟控制器）负责，生成整个系统所需的时钟信号，支持多种时钟源和分频选项。

8.其他模块

  • SAR ADC（逐次逼近模数转换器）：用于模拟信号的采集和转换。
  • DAC（数模转换器）：将数字信号转换为模拟信号。
  • LVD（低电压检测）：用于监控系统电压是否在安全范围内。
  • RTC（实时时钟）：用于时间和日期的管理。

9.AHB和APB总线接口矩阵

  • 主要通过 AHB总线矩阵 和 APB总线接口 将不同的外设模块连接到主总线上，从而实现灵活的数据传输。
  • AHB总线用于高速外设和存储器，APB总线用于较低速的外设。

时钟

在 ARM Cortex-M 微控制器（例如 ARM32 架构）中，时钟系统是核心模块之一，负责为整个系统和各个外设提供时钟信号。时钟信号是微控制器正常运行的基础，时钟系统通常包括多个时钟源、分频器和控制模块。

在 ARM 微控制器中，几乎每个操作都需要一个时钟信号来驱动。这是因为时钟信号在微控制器中用于同步操作，确保每一步执行都有明确的时间基准。

GD32F407xx 时钟树结构图

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详细介绍：

1.时钟源

  • 外部时钟（HXTAL）：这是一个高频晶振输入，通常可以在 4 到 32 MHz 之间。它被用作系统主时钟的外部来源。
  • 内部振荡器（IRC16M 和 IRC48M）：这是微控制器内部集成的振荡器，IRC16M 提供 16 MHz 时钟源，而 IRC48M 提供 48 MHz 的固定时钟源。
  • 低速时钟源（LXTAL 和 IRC32K）：32.768 kHz 的外部低速晶振（LXTAL）和内部 32 kHz 的低速振荡器（IRC32K）用于实时时钟（RTC）和看门狗定时器（FWDGT）等低功耗应用。

2.锁相环（PLL）

  • PLL 电路：有多个 PLL（如 PLL、PLL1、PLL2 等）可以将外部时钟（HXTAL）或内部时钟（如 IRC16M）倍频到更高频率。它们用于生成系统所需的高频时钟，比如 168 MHz 的主系统时钟。
  • PLL 配置：图中显示了 PLL 的输入、输出及其倍频系数选择。不同的倍频系数可以让用户灵活设置主时钟的频率。

3.时钟选择和分配

  • 系统时钟选择（CK_SYS）：系统时钟可以由不同的源（如 PLL 输出、HXTAL、IRC16M 等）选择得到。通过 SCS[1:0] 选择信号，可以在这些时钟源之间切换，以适应不同的应用需求。
  • AHB、APB1、APB2 分频器：时钟树包含了 AHB 和两个 APB 总线的分频器，允许将系统时钟分别分配到不同的外设总线。这些总线频率可以通过预分频器调节，以满足外设的时钟要求。APB1 最多支持 42 MHz，而 APB2 最多支持 84 MHz。

4.特殊外设时钟

  • USB、SDIO、ADC 等外设时钟：有些外设（如 USB 和 ADC）对时钟有特定的要求。USB 需要 48 MHz 时钟，因此会使用 IRC48M 或通过 PLL 分频得到。ADC 也有其特定的时钟路径和分频器，以确保符合采样速率要求。
  • 以太网和 I2S 时钟：以太网 PHY（物理层）和 I2S（音频接口）外设也各有独立的时钟选择，确保它们能够满足高速数据通信的需求。

5.时钟输出和监控

  • 时钟输出：可以通过 CK_OUT0 和 CK_OUT1 引脚将特定的时钟信号输出，以供外部设备使用。这些输出时钟信号可以是 HXTAL、PLL 输出等，具体由 CKOUTDIV 和 CKOUTSEL[1:0] 设置。
  • 时钟监控器（Clock Monitor）：在 HXTAL 和 PLL 的路径上有一个时钟监控器，用于检测是否有时钟失效的情况（比如晶振失效）。当检测到问题时，系统可以切换到备用的时钟源。

6.RTC 和低功耗时钟

  • RTC（实时时钟）：图中显示 RTC 可以选择低速外部晶振（LXTAL）或内部 32 kHz 振荡器（IRC32K）作为其时钟源。
  • 看门狗定时器（FWDGT）：低功耗时钟（IRC32K）还可以提供给看门狗定时器。