Формирование тактовых импульсов

Тактовые импульсы формируются модулем системной интеграции SIM08 на базе импульсных сигналов, которые генерируются модулем CGM08 (Clock Generator Module – 08). Выходные сигналы этого модуля определяют частоту тактовых импульсов, необходимую для работы процессора и периферийных модулей.

Модуль CGM08 содержит два генератора импульсов:

CG - формирует импульсы с частотой Fq, задаваемой внешним резонатором;

PG - генерирует импульсы частотой Fp = 2*P x (N x Fq)/ R помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), выполняя умножение частоты Fq, задаваемой внешним резонатором. Значения параметров P, N, R определяются содержимым регистров PACTL, PMSH, PMSL, управляющих работой модуля CGM08.

Импульсы с выходов генераторов CG и PG после деления их частоты на 2 поступают на мультиплексер, который выдает сигналы для формирования тактовых импульсов модулю системной интеграции SIM08. Выбор генератора (CG или PG), задающего частоту тактовых импульсов, определяется значением бита BCS в регистре управления PCTL модуля CGM08 (рис.4,а).

Необходимость использования двух генераторов вызвана тем, что в микроконтроллерах семейства 68HC08/908 модуль SIM08 формирует тактовые импульсы, имеющие частоту Ft = Fx/4, где Fx = Fq или Fg –частота сигналов, поступающих с выхода генераторов CG или PG. Так как максимальная тактовая частота для этого семейства составляет Ft=8 МГц, то генераторы CG или PG должны вырабатывать сигналы с частотой Fg = 32 МГц. Для этого к генератору CG необходимо подключить внешний частотно-задающий кварцевый кристалл с резонансной частотой Fq = 32 МГц. Применение таких высокочастотных кварцевых резонаторов вызывает ряд проблем, связанных с повышенным уровнем возникающих помех, более высокой стоимостью этих кристаллов, их меньшей стабильностью. Поэтому для микроконтроллеров, работающих на тактовой частоте 1 МГц и выше, целесообразно использовать для формирования тактовых импульсов генератор PG, обеспечивающий высокую частоту тактовых сигналов при подключении низкочастотных кварцевых кристаллов (Fq=4 МГц и ниже), задающих опорную частоту генерации.

Генератор PG формирует сигналы с требуемой частотой Fg=4Ft путем умножения опорной частоты Fq, которая задается внешним кварцевым кристаллом. В состав генератора входит синтезатор частоты, содержащий схему PLL (Phase-Locked Loop), которая выполняет фазовую подстройку частоты (ФАПЧ), как это реализуется в радиотехнических устройствах. Схема PLL имеет два режима работы:

- режим захвата, когда после начального запуска обеспечивается выход на генерацию выходных сигналов в заданном частотном диапазоне;

- режим удержания, когда схема поддерживает заданную частоту генерации, компенсируя ее возможные отклонения в пределах рабочей полосы частот, возникающие из-за влияния дестабилизирующих факторов (внешние помехи, изменения напряжения питания и другие).

Генератор PG может автоматически переходить из режима захвата в режим удержания, когда генерируемая частота попадает в рабочую полосу частот PLL (автоматическое управление), или переключаться в требуемый режим путем программной установки бита ACQ# в регистре управления PBWC (программное управление). Вид управления задается пользователем при программировании работы модуля CGM08 путем соответствующей установки бита AUTO в регистре PBWC (рис.4,б).

В микроконтролерах серии GP используется вариант модуля CGM08, который обеспечивает умножение частоты в сотни раз, что позволяет подключать в качестве частотно-задающего элемента дешевые и стабильные кварцевые кристаллы с резонанасной частотой Fq=32,768 кГц, широко применяемые в часовой промышленности («часовые» кварцы).

Для получения тактовых сигналов заданной частоты Ft в этих микроконтроллерах необходимо выполнить программирование модуля CGM08 путем записи соответствующего содержимого в регистры, контролирующие его работу: PCTL – регистр управления генератором, PBWC – регистр управления формированием частоты, PMSH, PMSL, PMRS, PMDS – регистры коэффициентов, задающих частоту генерируемых импульсов.

PLLIE	PLLF	PLLON	BCS	PRE1	PRE0	VPR1	VPR0
а). PCTL (адрес $0036)
AUTO	LOCK	ACQ#	XLD
б). PBWC (адрес $0037)
				MUL11	MUL10	MUL9	MUL8
в). PMSH (адрес $0038)
MUL7	MUL6	MUL5	MUL4	MUL3	MUL2	MUL1	MUL0
г). PMSL (адрес $0039)
VRS7	VRS6	VRS5	VRS4	VRS3	VRS2	VRS1	VRS0
д). PMRS (адрес $003A)
				RDS3	RDS2	RDS1	RDS0
е). PMDS (адрес $003B)

Рис.4. Формат содержимого регистров управления модулем CGM08.

Регистр управления PCTL (рис.4,а) содержит следующие биты:

BCS – выбирает сигнал, используемый для формирования тактовых сигналов: сигнал на входе генератора CG при значении BCS=0 (частота Ft=Fq/4), сигнал на выходе генератора PG при BCS=1 (частота Ft=Fg/2), после запуска микроконтроллера устанавливается значение BCS=0 (тактирование от кварцевого резонатора), при установке значения BCS=1 бит PLLON в этом регистре принимает значение 1 (включение генератора PG) и затем доступен только для чтения;

PLLON – разрешает при значении PLLON=1 работу генератора PG, после запуска микроконтроллера работа PG разрешена (устанавливается значение PLLON=1);

PLLF – признак запроса прерывания от модуля CGM08: принимает значение PLLF=1 (запрос прерывания, который обслуживается при значении бита PLLIE=1) при автоматическом управлении (в регистре PBWC бит AUTO=1), если изменяется значение бита LOCK в регистре PWBC (рис.1.28,б), что указывает на вход схемы PLL в рабочую полосу частот (установка значения LOCK=1) или выход за пределы рабочей полосы (установка значения LOCK=0); этот бит доступен только для чтения и устанавливается в 0 при запуске микроконтроллера или при чтении содержимого регистра PCTL;

PLLIE – бит, разрешающий при значении PLLIE=1 прерывание процессора по запросу модуля CGM08 (установка признака PLLF=1); этот бит принимает значение PLLIE=0 при запуске микроконтроллера и может быть установлен в 1 только при автоматическом управлении генератором PG (в регистре PBWC бит AUTO=1);

PRE1-0 – биты, определяющие значение параметра P, используемого при расчете частоты импульсов Fg, генерируемых PG (рекомендуемое значение P=0);

VPR1-0 – биты, определяющие значение параметра E, используемого при расчете центра рабочей полосы частот Fv, генерируемых PG.

Регистр PBWC содержит следующие биты, управляющие формированием частоты сигналов генератора PG (рис.4,б):

AUTO – задает режим управления работой генератора PG: автоматический при значении бита AUTO=1, программный при значении AUTO=0;

LOCK – при автоматическом управлении (установлено значение бита AUTO=1) данный бит имеет значение LOCK=1, когда частота сигналов, формируемых генератором, находится в рабочей полосе частот; и LOCK=0, когда частота сигналов выходит за пределы рабочей полосы;

ACQ# - при автоматическом управлении (значение бита AUTO=1) этот бит доступен только для чтения и указывает режим работы генератора: ACQ#=0 в режиме захвата, ACQ#=1 в режиме удержания; при программном управлении (значение бита AUTO=0) запись соответствующего значения этого бита будет задавать режим работы генератора: режим захвата при ACQ#=0, режим удержания при ACQ#=1;

При запуске микроконтроллера все биты в регистре PBWC принимают значение 0.

Регистры PMSH, PMSL (рис.4,в,г) служат для записи значений коэффициента умножения N, определяющего частоту генератора Fg = (N x Fq)/R, где величина N в двоичном коде задается битами MUL11-0 в диапазоне от1 до 4095. При запуске микроконтроллера устанавливается значение N=64.

Значение коэффициента R задается битами RDS3-0 в регистре PMDSP (рис. 4,е).

Ширина рабочей полосы частот, в которой эффективно работает схема ФАПЧ, составляет от 0,5Fv до 2,0Fv. Для обеспечения стабильности работы этой схемы необходимо, чтобы частота генерации Fg была как можно ближе к значению Fv, указывающему центр рабочей полосы частот. Величина Fv определяется выражением Fv = Fn x L x 2*E, где значение коэффициента L определяется битами VRS7-0 в регистре PMRS (рис.4,д), параметр E=0, 1 или 2 задается битами VPR1-0 в регистре PACTL (рис.4,а), номинальная рабочая частота генератора PG составляет Fn = 38,4 кГц. При запуске микроконтроллера устанавливаются значения параметров L=64, E=0.

При программировании модуля CGM08 рекомендуется устанавливать значения параметров R=1, P=0, а значения N, L и E определяются с помощью следующих выражений:

N = [ 4Ft / Fq ], L x 2*E = [ 4Ft / Fn ],

где Ft – требуемая тактовая частота, Fq – резонансная частота кварцевого кристалла, задающего опорную частоту, Fn = 38,4 кГц. Величина E выбирается равной 0 при Ft<1 МГц, 1 при Ft=1..2 МГц, 2 при Ft>2 МГц. Полученные при расчете значения N, L округляются до ближайших целых чисел.

Для подключения внешних компонентов, обеспечивающих функционирование модуля CGM, используются следующие выводы микроконтроллера (рис.5):

OSC1, OSC2 – подключение частотно-задающего кварцевого кристалла Q;

CGMXFC – подключение конденсатора фильтра низких частот Cf в схеме PLL.

Рекомендуемые номинальные значения параметров внешних компонентов: cопротивления Rb = 10 МОм, Rs – 330 Ом (Rs включается при использовании высокочастотных кварцевых кристаллов, когда формирование тактовых импульсов выполняется генератором CG), емкости C1=C2= (6…40) пФ, Cb = 0,1 мкФ (конденсатор развязки питания). Емкость конденсатора фильтра Cf определяется по формуле:

Cf (мкФ) = 0,0154*Vп (В) / Fq (МГц).

При типовых значениях Vп = 5,0 В, Fq = (1…8) МГц емкость Cf составляет десятки нФ.

Рис.5. Подключение внешних компонентов, обеспечивающих функционирование модуля CGM08