STM8S001J3 (4). Blok sygnałów zegarowych mikrokontrolera

Blok sygnałów zegarowych można zdefiniować jako moduł funkcjonalny mikrokontrolera, który odpowiada za wytworzenie sygnałów zegarowych o określonej częstotliwości, przetworzenie ich przez podzielniki o edytowalnej wartości oraz doprowadzenie ich (przy udziale multiplekserów) do zasobów mikrokontrolera w celu ich taktowania: rdzenia (CPU), pamięci oraz peryferii (np. przetwornika A/C, interfejsów komunikacyjnych, timerów itp.).

Schemat bloku sygnałów zegarowych w mikrokontrolerze STM8S001J3 pokazano na rysunku 1. Dostępne są trzy źródła sygnału zegarowego: HSE, HSI oraz LSI. HSE (High Speed External) to zewnętrzne źródło sygnału zegarowego. Funkcję tę pełnić może oscylator, z którego sygnał zegarowy (o częstotliwości maksymalnej 16 MHz) doprowadzony jest do pinu OSCIN mikrokontrolera. Z kolei HSI (High Speed Internal) jest wewnętrznym źródłem zegarowym. Jest to oscylator RC wytwarzający sygnał o stałej częstotliwości 16 MHz. Sygnał ten doprowadzony jest do podzielnika HSIDIV, który w zależności od konfiguracji może mieć wartość 1, 2, 4 lub 8. Tak więc na wyjściu podzielnika możliwe jest uzyskanie sygnału zegarowego (fHSIDIV) o częstotliwości 2…16 MHz. Trzecim i zarazem ostatnim źródłem sygnału zegarowego jest LSI (Low Speed Internal). Ten wewnętrzny oscylator RC generuje sygnał o częstotliwości 128 kHz. Sygnały ze wszystkich trzech źródeł (HSE do 16 MHz, HSI 2…16 MHz, LSI 128 kHz) doprowadzone są do multipleksera o nazwie Master Clock Switch. W zależności od jego konfiguracji jeden z trzech sygnałów zostaje wybrany i jest dystrybuowany dalej: jako fMASTER bezpośrednio do peryferii mikrokontrolera oraz jako fCPU pośrednio (przez podzielnik CPUDIV) do procesora mikrokontrolera. Dostępne wartości podzielnika CPUDIV to 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 i 128. Łatwo zatem zauważyć, że maksymalna możliwa do uzyskania częstotliwość dla fMASTER i fCPU to 16 MHz, natomiast wartości minimalne to odpowiednio 128 kHz dla fMASTER oraz 1 kHz dla fCPU.

Warto w tym miejscu dodać, że domyślną konfiguracją bloku sygnałów zegarowych mikrokontrolera tuż po podłączeniu napięcia zasilania jest zawsze aktywne źródło HSI oraz podzielnik o wartości 8. Skutkiem tego mikrokontroler rozpoczyna pracę, używając sygnału o częstotliwości 2 MHz.

Interesującym rozwiązaniem zastosowanym w bloku sygnałów zegarowych jest moduł CSS (Clock Security System). W przypadku, gdy używane jest źródło HSE i z jakiegoś powodu przestanie ono nagle wytwarzać sygnał zegarowy (przykładowo z powodu fizycznego uszkodzenia), moduł CSS automatycznie wykryje zanik sygnału i automatycznie przełączy mikrokontroler na taktowanie ze źródła HSI/8. Jest to zatem funkcja bezpieczeństwa, która gwarantuje ciągłość pracy mikrokontrolera w przypadku awarii HSE.

Warto również wspomnieć, że wiele spośród sygnałów bloku zegarowego można wyprowadzić na zewnątrz mikrokontrolera. Służy do tego moduł CCO (Configurable main Clock Output). Wybór sygnału odbywa się za pomocą multipleksera CCOSEL. Wybrany sygnał doprowadzony zostaje do pinu CCO mikrokontrolera.

Istotną zaletą bloku sygnałów zegarowych w układach STM8 jest możliwość dynamicznej konfiguracji wszystkich jego elementów. Oznacza to, że w trakcie działania aplikacji możliwa jest zmiana używanego źródła sygnału zegarowego oraz wartości poszczególnych podzielników. Korzyścią takiego rozwiązania jest możliwość zmiany wydajności obliczeniowej i poboru prądu mikrokontrolera w taki sposób, aby wielkości te były różne (optymalne) dla różnych etapów działania aplikacji.

Blok sygnałów zegarowych w STM8CubeMX

Wartościowym dodatkiem do dokumentacji technicznej pozwalającym lepiej zrozumieć blok sygnałów zegarowych mikrokontrolera STM8S001J3 jest program komputerowy STM8CubeMX. Okno Clock Configuration tego programu udostępnia użytkownikowi pełne drzewo sygnałów zegarowych i co więcej, umożliwia jego graficzną edycję. Dokonując samodzielnie zmian wartości poszczególnych podzielników i zmian ustawień multiplekserów, użytkownik natychmiast widzi, jak te zmiany wpływają na częstotliwość sygnałów taktujących CPU, pamięć oraz peryferia. Widok okna Clock Configuration programu STM8CubeMX pokazano na rysunku 2.

Funkcje SPL do sterowania blokiem sygnałów zegarowych

Aby w prosty sposób skonfigurować blok sygnałów zegarowych układu STM8S001J3, warto w aplikacji użyć bibliotek SPL (Standard Peripheral Library) przygotowanych dla mikrokontrolerów STM8S. Pliki stm8s_clk.h oraz stm8s_clk.c udostępniają szereg funkcji do tego celu. Ich zestawienie umieszczono w tabeli 1.

Przykładowa aplikacja sterująca blokiem sygnałów zegarowych

W celu stworzenia przykładowej aplikacji użyte zostało środowisko programistyczne STVD (ST Visual Develop) oraz kompilator Cosmic CXSTM8. Opis tych narzędzi, jak również instrukcja, jak stworzyć za ich pomocą szablon nowego projektu wraz z dodaniem bibliotek SPL, dostępne są w poprzednim artykule (numer 3) z tej serii. Korzystając ze wspomnianego szablonu projektu, należy edytować kod pliku main.c, w którym umieszczony zostanie cały kod aplikacji.

Aplikacja ma na celu pokazać, w jaki sposób konfigurować blok sygnałów zegarowych. Ma ona również na celu zademonstrować możliwość dynamicznej konfiguracji sygnałów zegarowych w trakcie działania aplikacji. W tym celu wykonane zostaną następujące kroki:

- Utworzona zostanie zmienna, do której będzie można wczytać nazwę używanego aktualnie źródła sygnału zegarowego.
- Utworzone zostaną zmienne, do których będzie można wczytać częstotliwość sygnału fMASTER po różnych konfiguracjach tego sygnału.
- Na początku aplikacji blok sygnałów zegarowych zostanie skonfigurowany w sposób domyślny. W tym celu wywołana zostanie funkcja CLK_DeInit().
- Sprawdzone zostanie, jakie źródło sygnału zegarowego jest używane. W tym celu użyta zostanie funkcja CLK_GetSYSCLKSource().
- Pierwszy raz sprawdzona zostanie częstotliwość sygnału fMASTER, do czego posłuży funkcja CLK_GetClockFreq().
- Czterokrotnie zmieniony zostanie podzielnik używanego źródła sygnału HSI i za każdym razem sprawdzone zostanie, czy sygnał fMASTER został adekwatnie zmieniony. W tym celu użyte zostaną funkcje CLK_SYSCLKConfig() oraz CLK_GetClockFreq().
Zmieniony zostanie podzielnik dla sygnału fCPU.

Kod zgodny z zaprezentowanym opisem pokazano w listingu 1.

Działanie aplikacji łatwo jest zweryfikować. Należy skompilować projekt, a następnie wgrać plik wynikowy do pamięci mikrokontrolera i otworzyć tryb debugowania. Teraz należy dodać do okna Watch stworzone w kodzie zmienne (należy najechać kursorem myszy na każdą zmienną, kliknąć na niej prawym przyciskiem myszy i z menu kontekstowego wybrać opcję QuickWatch…). Po uruchomieniu aplikacji należy zaobserwować, jakie wartości zostały zwrócone przez funkcje i wpisane zostały tym samym do zmiennych. Proces ten pokazano na rysunku 3. Widać, że mikrokontroler rozpoczyna pracę, korzystając ze źródła sygnału zegarowego HSI (zmienna Clock_source ma wartość CLK_SOURCE_HSI) i częstotliwość tego sygnału ma wartość 2 MHz (zmienna fMASTER_value_1 ma wartość 2000000). Następnie gdy zmienia się podzielnik HSIDIV kolejno na 1, 2, 4 oraz 8, częstotliwość sygnału zmienia się adekwatnie (wartości zmiennych fMaster_value_2/3/4/5 to odpowiednio 16000000, 8000000, 4000000 oraz 2000000). Na końcu aplikacji dodatkowo zmieniany jest podzielnik CPUDIV na 32, co skutkuje zmianą sygnału fCPU na 62.5 kHz (2 MHz/8/32).

Podsumowanie

W artykule przekazano podstawowe informacje o bloku sygnałów zegarowych mikrokontrolera STM8S001J3 wraz z opisem przykładowej aplikacji demo. Osoby chcące dowiedzieć się bardziej szczegółowych informacji powinny sięgnąć do dokumentacji technicznej producenta. Parametry i charakterystyka tego zasobu dostępne są w nocie katalogowej mikrokontrolera (datasheet). Z kolei schematy oraz opis wszystkich funkcjonalności i rejestrów znajduje się w podręczniku użytkownika mikrokontrolera (user manual RM0016). Dodatkowo trzy aplikacje testowe dostępne są w podkatalogu bibliotek SPL: …STM8S_StdPeriph_LibProjectSTM8S_StdPeriph_ExamplesCLK.

Szymon Panecki
szymon.panecki@st.com