PIC单片机时钟详解

最近在学PIC单片机，因此尝试写一篇文章记录一下。

单片机的型号为dsPIC33FJ16GS502,编辑器为MPLAB X IDE V6.00，编译器为：VC16 V2.00，这些工具都可以在Microchip的官网上可以下载安装。

1.时钟系统框图

　　首先来看一下单片机是时钟框图：

　　可以看到系统的时钟源可以来自3个部分：主振荡器、内部RC振荡器、内部低功耗RC振荡器.

　　而如何选择这些时钟作为系统时钟则是通过FOSCSEL寄存器的FNOSC位实现，其寄存器的功能如下：

　　那如何通过代码来实现对时钟的切换呢？常用的方法是在预编译指令设置，对相应的寄存器赋值即可。

　　以内部FRC振荡器为例，一行即可：

#pragma config FNOSC = FRCPLL           //带PLL的快速RC振荡器（FRCPLL）

　　这个寄存器有什么用呢？可见用户手册：

　　而如何设置寄存器的值呢？

　　有两种方法：

　　　　一种是查看用户手册；

　　　　一种是查看对应的头文件；在默认安装的情况下，头文件的路径为：

　　　　C:\Program Files (x86)\Microchip\xc16\v1.36\support\dsPIC33F\h\p33FJ16GS502.h

　　主振荡器的XT，HS，EC都是什么模式呢？

　　查看手册后可以得知：

　　细心的小伙伴可能，发现了系统框图中下边还有附属时钟（Auxiliary Clock）,他是不可以作为系统时钟源的，其主要的功能是供给ADC模块和PWM模块的时钟，后面会做详细的介绍。

　　大概了解了系统时钟，本文下面将对每部分进行详细的讲解。

2.主振荡器

　　主振荡器就是采用外部晶振作产生时钟信号，本文的外部晶振为7.3728MHz,选取主振荡器作为系统时钟，主要有两条路径：

 2.1 主振荡器方案

　　路径1的配置较为简单，通过预编译指令即可，见代码：

// FOSCSEL
#pragma config FNOSC = PRI           //振荡器模式（不带PLL的XT）
#pragma config IESO = ON                //内部外部切换模式（使用FRC启动设备，然后自动切换到用户选择的振荡器源）
// FOSC
#pragma config POSCMD = XT            //主振荡器源（主振荡器XT） 
#pragma config OSCIOFNC = OFF           //OSC2引脚功能（OSC2引脚有时钟输出功能）
#pragma config IOL1WAY = ON             //外设引脚选择配置（只允许一次重新配置）
#pragma config FCKSM = CSDCMD           //时钟切换和监视器（无论时钟切换和故障保护时钟监视器被禁止）

 　　由此可见经过上述一系列配置，达成的效果为：禁止时钟切换，禁止故障保护始终监视器，OSC2为数字IO引脚，选择主振荡器晶振模式作为系统时钟源。

　　经过上述配置F_osc = 7.3728MHz，其时钟频率由外部晶振决定。

 2.1.2 主振荡器锁相环方案

　　路径2的配置过程较为麻烦，因为还需配置PLL,但是基本配置方法类似，见代码：

// FOSCSEL
#pragma config FNOSC = PRIPLL            //振荡器模式（带PLL的XT）
#pragma config IESO = ON                //内部外部切换模式（使用FRC启动设备，然后自动切换到用户选择的振荡器源）
// FOSC
#pragma config POSCMD = XT            //主振荡器源（主振荡器XT） 
#pragma config OSCIOFNC = OFF           //OSC2引脚功能（OSC2引脚有时钟输出功能）
#pragma config IOL1WAY = ON             //外设引脚选择配置（只允许一次重新配置）
#pragma config FCKSM = CSDCMD           //时钟切换和监视器（无论时钟切换和故障保护时钟监视器被禁止）

　　发现其与路径1的区别只在第2行寄存值的改变，此时选择带PLL锁相环的路径故还需了解锁相环，以便计算相关频率。锁相环的框图在用户手册中如下：

　　其频率的计算公式为：

　　可以看到，PLL锁相环的输出与三个参数有关：PLLDIV,PLLPRE,PLLPOST。因此只要配置这三个参数即可得到我们想要的频率，常用的代码配置如下：

    CLKDIVbits.PLLPRE = 0;//N1 = 2  7.3728MHz/2= 3.6864MHz
    PLLFBDbits.PLLDIV = 41;//M = 43  3.6864*43 = 158.5152MHz
    CLKDIVbits.PLLPOST = 0;//N2 = 2 158.5152/2 = 79.2576MHz

　　经过上述配置，F_osc = 79.2567MHz，时钟频率范围变化较大，可以在80MHz以下按照需要配置。

　　采用外部晶振作为是时钟源有着稳定性较高的优点，但是考虑的经济性，外部晶振相对与内部振荡器而言，经济性较差，故在对经济性敏感的产品中常采用内部晶振。

3.内部RC振荡器

　　此款单品的内部RC振荡器为7.3728MHz，速度快，成本低。其主要有4条路径：

　　四条路径的输出频率范围见表：

路径	频率（MHz）
1	<80MHz
2	0.46MHz~7.37MHz
3	0.46MHz
4	7.37Mhz

 3.1 FRC和FRCDIV16方案

　　路径3，4设置比较简单，仅需设置一个寄存器即可，见代码：

#pragma config FNOSC = FRC             // FRC 模式
#pragma config FNOSC = FRCDIV16   // FRC的16分频

 3.2 FRCDIV方案

　　路径2的设置也相对简单，除设置时钟选择寄存器外，还需设置FRC分频寄存器FRCDIV，寄存器与具体分频系数见图：

　　 具体配置见代码

#pragma config FNOSC = FRCDIV  

　　主程序代码：

void FRCDIV_Init(void)
{
    CLKDIVbits.FRCDIV = 0; // 1分频
}

 3.3 FRCPLL方案

　　路径1需要经过PLL锁相环，其频率可以上升的更高，当然配置麻烦一点，见代码：

#pragma config FNOSC = FRCPLL           //带PLL的快速RC振荡器（FRCPLL）

　　PLL配置程序：

void System_Colck(void)
{ 
    CLKDIVbits.PLLPRE = 0;//N1 = 2  7.3728MHz/2= 3.6864MHz
    PLLFBDbits.PLLDIV = 41;//M = 43  3.6864*43 = 158.5152MHz
    CLKDIVbits.PLLPOST = 0;//N2 = 2 158.5152/2 = 79.2576MHz
}

　　经过上述配置，其时钟频率为79.2576MHz。

4.低功耗RC振荡器

　　低功耗RC时钟一般供给看门狗定时器，上电延时定时器和故障保护定时器使用。一般不作为系统主时钟，故不再描述如何配置配置，有需要的小伙伴可以自行探索。

5.附属时钟

　　附属时钟是高速10位ADC和高速PWM的时钟源，其最高可达到120MHz的频率。

　　其配置相对较为简单，照着框图，写寄存器就好了，框图如下：

 

 　　可以看到附属时钟源的时钟来源有三个：主振荡器，主振荡器经PLL锁相环，内部RC振荡器。

　　本文以内部RC振荡器为例，给出配置代码如下：

/*
 * 函数功能：附属时钟ACLK初始化
 * 注意事项：附属时钟的最大输出频率为：7.37 * 16 = 117.92MHz
 * 参数说明：ACLK_Div:分频系数
 *           参数 7   6   5   4   3   2   1   0
 *         分频比 1   2   4   8   16  32  64  256
 */
void ALCK_Init(unsigned char ACLK_Div )
{
    ACLKCONbits.ASRCSEL = 0 ; // Don't select any clock as ACLK input
    ACLKCONbits.FRCSEL = 1 ; // Select FRCCLK as ACLK input
    ACLKCONbits.ENAPLL = 1 ; // Enable Auxiliary PLL
    ACLKCONbits.SELACLK = 1 ;// Auxiliary PLL Clock Provides the Clock sourse
    ACLKCONbits.APSTSCLR = ACLK_Div ;// Set Divide Auxiliary colck by 1
    while(ACLKCONbits.APLLCK != 1); // Wait for Auxiliary PLL to ready
}

　　代码较为简单，清晰明了，不再进行解读啦。

6.总结：

　　至此PIC单片机的时钟系统大部分已经解读完毕了，还有一些剩余部分，后期可能会有补充。

　　本人第一篇文章，文笔青涩，如有错误，欢迎指出。未经允许，禁止转载。