14 系统控制（SYSCTRL）

14.1 功能概述

SYSCTRL 负责管理、控制各种片上外设，主要功能有：

  • 外设的复位
  • 外设的时钟管理，包括时钟源、频率设置、门控等
  • DMA 规划
  • 其它功能

14.1.1 外设标识

SYSCTRL 为外设定义了几种不同的标识。最常见的一种标识为：

typedef enum
{
    SYSCTRL_ITEM_APB_GPIO0     ,
    SYSCTRL_ITEM_APB_GPIO1     ,
    // ...
    SYSCTRL_ITEM_NUMBER,
} SYSCTRL_Item;

这种标识用于外设的复位、时钟门控等。SYSCTRL_ResetItem 和 SYSCTRL_ClkGateItem 是 SYSCTRL_Item 的两个别名。

下面这种标识用于 DMA 规划：

typedef enum
{
    SYSCTRL_DMA_UART0_RX = 0,
    SYSCTRL_DMA_UART1_RX = 1,
    //...
} SYSCTRL_DMA;

14.1.2 时钟树

从源头看，共有 4 个时钟源：

  1. 内部 32KHz RC 时钟；
  2. 外部 32768Hz 晶体；
  3. 内部高速 RC 时钟（8M/16M/24M/32M/48M 可调）；
  4. 外部 24MHz 晶体。

从 4 个时钟源出发，得到两组时钟：

  1. 32KHz 时钟（clk_32k）

    32k 时钟有两个来源：内部 32KiHz RC 电路，外部 32768Hz 晶体。

  2. 慢时钟

    慢时钟有两个来源：内部高速 RC 时钟，外部 24MHz 晶体。

    BLE 子系统中射频相关的部分固定使用外部 24MHz 晶体提供的时钟。

之后，

  1. PLL 输出（clk_pll）

    clk_pll 的频率 \(f_{pll}\) 可配置，受 \(div_{pre}\)（前置分频）、\(loop\)（环路分频）和 \(div_{output}\)（输出分频）等 3 个参数控制：

    \[f_{vco}=\frac{f_{in}\times loop}{div_{pre}}\]

    \[f_{pll}=\frac{f_{vco}}{div_{output}}\]

    这里，\(f_{in}\) 即慢时钟。要求 \(f_{vco} \in [60,600]MHz\)， \(f_{in}/div_{pre} \in [2,24]MHz\)。

  2. sclk_fast 与 sclk_slow

    clk_pll 经过门控后的时钟称为 sclk_fast，慢时钟经过门控后称为 sclk_slow。

  3. hclk

    sclk_fast 经过分频后得到 hclk。下列外设（包括 CPU）固定使用这个时钟3：

    • DMA
    • 片内 Flash
    • QSPI
    • USB4
    • rtimer
    • 其它内部模块如 AES、Cache 等

    hclk 经过分频后得到 pclk。pclk 主要用于硬件内部接口。

  4. sclk_slow 的进一步分频

    sclk_slow 经过若干独立的分频器得到以下多种时钟：

    • sclk_slow_pwm_div：专供 PWM 选择使用
    • sclk_slow_timer_div：供 TIMER0、TIMER1 选择使用
    • sclk_slow_ks_div：专供 KeyScan 选择使用
    • sclk_slow_adc_div：供 EFUSE、ADC、IR 选择使用
    • sclk_slow_pdm_div：专供 PDM 选择使用
    • sclk_slow_qspi_div:专供 SPI0的低速模式选择使用

  5. sclk_fast 的进一步分频：

    sclk_fast 经过若干独立的分频器得到以下多种时钟：

    • sclk_fast_i2s_div：专供 I2S 选择使用
    • sclk_fast_qspi_div：专供 SPI0 选择使用
    • sclk_fast_flash_div：专供片内 Flash 选择使用
    • sclk_fast_usb_div：专供 USB 使用
    • sclk_fast_per_div：部分高速外设可选择使用的高速时钟

  6. sclk_fast_per 时钟：

    clk_pll 经过_sclk_fast_per_div_分频后的时钟称为 _sclk_fast_per_下列外设使用这个时钟5：

    • SPI1
    • UART0
    • UART1
    • QDEC

各硬件外设可配置的时钟源汇总如表 14.1。

表 14.1: 各硬件外设的时钟源
外设 时钟源
GPIO0、GPIO1 选择 sclk_slow 或者 clk_32k
TMR0、TMR1、TMR2 独立配置 sclk_slow_timer_div 或者 clk_32k
WDT clk_32k
PWM sclk_slow_pwm_div 或者 clk_32k
PDM sclk_slow_pdm_div
QDEC 对 hclk 或者 sclk_fast_per
KeyScan sclk_slow_ks_div 或者 clk_32k
ADC 独立配置 sclk_slow_adc_div 或者 sclk_slow
DMA hclk
SPI0 sclk_fast_qspi_div 或者 sclk_slow_qspi_div
I2S sclk_fast_i2s_div 或者 sclk_slow
UART0、UART1、SPI1 sclk_slow 或者 sclk_fast_per
I2C0 pclk
rtimer pclk

14.1.3 DMA 规划

由于 DMA 支持的硬件握手信号只有 16 种，无法同时支持所有外设。 因此需要事先确定将要的外设握手信号，并通过 SYSCTRL_SelectUsedDmaItems 接口声明。

规划DMA通道需要同时将需要支持的16个DMA通道的握手信号传入 SYSCTRL_SelectUsedDmaItems 接口。

一个外设可能具备一个以上的握手信号，需要注意区分。比如 UART0 有两个握手信号 UART0_RX 和 UART0_TX，分别用于触发 DMA 发送请求（通过 DMA 传输接收到的数据）和读取请求（向 DMA 请 求新的待发送数据）。外设握手信号定义在 SYSCTRL_DMA 内：

typedef enum
{
    SYSCTRL_DMA_UART0_RX = 0,
    SYSCTRL_DMA_UART1_RX = 1,
    // ...
} SYSCTRL_DMA;

14.2 使用说明

14.2.1 外设复位

通过 SYSCTRL_ResetBlock 复位外设，通过 SYSCTRL_ReleaseBlock 释放复位。

void SYSCTRL_ResetBlock(SYSCTRL_ResetItem item);
void SYSCTRL_ReleaseBlock(SYSCTRL_ResetItem item);

14.2.2 时钟门控

通过 SYSCTRL_SetClkGate 设置门控（即关闭时钟），通过 SYSCTRL_ClearClkGate 消除门控（即恢复时钟）。

void SYSCTRL_SetClkGate(SYSCTRL_ClkGateItem item);
void SYSCTRL_ClearClkGate(SYSCTRL_ClkGateItem item);

SYSCTRL_SetClkGateMulti 和 SYSCTRL_ClearClkGateMulti 可以同时控制多个外设的门控。 items 参数里的各个比特与 SYSCTRL_ClkGateItem 里的各个外设一一对应。

void SYSCTRL_SetClkGateMulti(uint32_t items);
void SYSCTRL_ClearClkGateMulti(uint32_t items);

14.2.3 时钟配置

举例如下。

  1. clk_pll 与 hclk

    使用 SYSCTRL_ConfigPLLClk 配置 clk_pll：

    int SYSCTRL_ConfigPLLClk(
    uint32_t div_pre,   // 前置分频
    uint32_t loop,      // 环路倍频
    uint32_t div_output // 输出分频
);

    例如，假设慢时钟配置为 24MHz，下面的代码将 hclk 配置为 112MHz 并读取到变量：

    SYSCTRL_ConfigPLLClk(5, 70, 1);
SYSCTRL_SelectHClk(SYSCTRL_CLK_PLL_DIV_3);
uint32_t SystemCoreClock = SYSCTRL_GetHClk();

  2. 为硬件 I2S 配置时钟

    使用 SYSCTRL_SelectI2sClk 为 I2S 配置时钟：

    void SYSCTRL_SelectI2sClk(SYSCTRL_ClkMode mode);

    SYSCTRL_ClkMode 的定义为：

    typedef enum
{
    SYSCTRL_CLK_SLOW,             // 使用 sclk_slow
    SYSCTRL_CLK_32k = ...,        // 使用 32KiHz 时钟
    SYSCTRL_CLK_HCLK,             // 使用 hclk
    SYSCTRL_CLK_ADC_DIV = ...,    // 使用 sclk_slow_adc_div
    SYSCTRL_CLK_PLL_DIV_1 = ...,  // 对 sclk_fast 分频
    SYSCTRL_CLK_SLOW_DIV_1 = ..., // 对 sclk_slow 分配
} SYSCTRL_ClkMode;

    根据表 14.1 可知，I2S 可使用 slk_slow：

    SYSCTRL_SelectI2sClk(SYSCTRL_CLK_SLOW);

    或者独占一个分频器，对 sclk_fast 分频得到 sclk_fast_i2s_div，比如使用 sclk_fast 的 5 分频：

    SYSCTRL_SelectI2sClk(SYSCTRL_CLK_PLL_DIV_5);

  3. 读取时钟频率

    使用 SYSCTRL_GetClk 读取指定外设的时钟频率：

    uint32_t SYSCTRL_GetClk(SYSCTRL_Item item);

    比如，

    // I2S 使用 PLL 的 5 分频
SYSCTRL_SelectI2sClk(SYSCTRL_CLK_PLL_DIV_5);
// freq = sclk_fast 的频率 / 5
uint32_t freq = SYSCTRL_GetClk(SYSCTRL_ITEM_APB_I2S);

  4. 降低频率以节省功耗

    降低系统各时钟的频率可以显著降低动态功耗。相关函数有：

    • SYSCTRL_SelectHClk：选择 hclk
    • SYSCTRL_SelectFlashClk：选择内部 Flash 时钟
    • SYSCTRL_SelectSlowClk：选择慢时钟
    • SYSCTRL_EnablePLL：开关 PLL

  5. 配置用于慢时钟的高速 RC 时钟

    通过 SYSCTRL_EnableSlowRC 可以使能并配置内部高速 RC 时钟的频率模式：

    void SYSCTRL_EnableSlowRC(
    uint8_t enable,             // 使能或禁用
    SYSCTRL_SlowRCClkMode mode  // 频率模式
);

    频率模式为：

    typedef enum
{
    SYSCTRL_SLOW_RC_8M = ...,
    SYSCTRL_SLOW_RC_16M = ...,
    SYSCTRL_SLOW_RC_24M = ...,
    SYSCTRL_SLOW_RC_32M = ...,
    SYSCTRL_SLOW_RC_48M = ...,
} SYSCTRL_SlowRCClkMode;

    由于内部（芯片之间）、外部环境（温度）存在微小差异或变化，所以这个 RC 时钟的频率或存在一定误差， 需要进行调谐以尽量接近标称值。通过 SYSCTRL_AutoTuneSlowRC 可自动完成调谐6：

    uint32_t SYSCTRL_AutoTuneSlowRC(SYSCTRL_SlowRCClkMode value);

    这个函数返回的数据为调谐参数。如果认为有必要7，可以把此参数储存起来，如果系统重启， 可通过 SYSCTRL_TuneSlowRC 直接写入参数调谐频率。

温馨提示：

  • 关闭 PLL 时，务必先将 CPU、Flash 时钟切换至慢时钟；
  • 修改慢时钟配置时，需要保证 PLL 的输出、CPU 时钟等在支持的频率内；
  • 推荐使用 SDK 提供的工具生成时钟配置代码，规避错误配置。

14.2.4 DMA 规划

使用 SYSCTRL_SelectUsedDmaItems 配置要使用的 DMA 握手信号：

int SYSCTRL_SelectUsedDmaItems(
  uint32_t items // 各比特与 SYSCTRL_DMA 一一对应
  );

使用 SYSCTRL_GetDmaId 可获取为某外设握手信号的 DMA 信号 ID，如果返回 -1， 说明没有规划该外设握手信号8：

int SYSCTRL_GetDmaId(SYSCTRL_DMA item);

14.2.5 RAM 相关

SoC 内部包含多个内存块，根据用途可分为：仅供 CPU 使用的 SYS RAM，CPU 和蓝牙 Modem 皆可使用的 SHARE RAM 以及高速缓存（Cache）。部分内存块既可以作为 SYS RAM 也可以作为 SHARE RAM（见表 14.2）， 在不同的软件包内将被配置为不同用途。

表 14.2: 可作为 SYS/SHARE RAM 的内存块
名称 大小 (KiB) 配置为 SYS RAM 时的地址范围 配置为 SHARE RAM 时的地址范围 备注
SYS_MEM_BLOCK_0 8 0x20000000
~
0x20001FFF		 不支持
SYS_MEM_BLOCK_1 8 0x20002000
~
0x20003FFF		 不支持
REMAPPABLE_BLOCK_0 8 0x20004000
~
0x20005FFF		 0x40128000
~
0x40129FFF
REMAPPABLE_BLOCK_1 16 0x20006000
~
0x20009FFF		 0x40124000
~
0x40127FFF
REMAPPABLE_BLOCK_2 8 0x2000A000
~
0x2000BFFF		 0x40122000
~
0x40123FFF
SHARE_MEM_BLOCK_0 8 不支持 0x40120000
~
0x40121FFF

在 noos_mini, mini 软件包共配置 48 KiB SYS RAM，8 KiB SHARE RAM； 在其它软件包里，配置 40 KiB SYS RAM，16 KiB SHARE RAM；。详见表 14.3。

表 14.3: 各软件包里的 SYS/SHARE RAM 配置
名称 SYS RAM SHARE RAM
mini, noos_mini
0x20000000

0x2000BFFF

 SYS_MEM_BLOCK_0 SYS_MEM_BLOCK_1 REMAPPABLE_BLOCK_0 REMAPPABLE_BLOCK_1 REMAPPABLE_BLOCK_2
0x40120000

0x40121FFF

 SHARE_MEM_BLOCK_0
其它
0x20000000

0x20009FFF

 SYS_MEM_BLOCK_0 SYS_MEM_BLOCK_1 REMAPPABLE_BLOCK_1 REMAPPABLE_BLOCK_2
0x40120000

0x40123FFF

 SHARE_MEM_BLOCK_0 REMAPPABLE_BLOCK_0

表 14.2 中的内存块支持低功耗数据保持。

注意：芯片所有内存块默认全部开启低功耗数据保持功能

如果实际使用的MEM较少，可以通过 SYSCTRL_MemoryRetentionCtrl 接口，关闭休眠时对应内存块的 电源以减小电力消耗。

注意：当使用shutdown模式休眠时，仅SYS_MEM_BLOCK_0和SYS_MEM_BLOCK_1可以配置 开启状态，其他数据块强制掉电，数据内容会丢失。

uint8_t SYSCTRL_MemoryRetentionCtrl(uint8_t mode,
   uint32_t block_map);

例如在一个使用 mini 软件包的程序里，如果确认只需要 24 KiB 的 SYS RAM，那么为了降低功耗，可关闭 REMAPPABLE_BLOCK_2 和 REMAPPABLE_BLOCK_1，保留其它内存块：

SYSCTRL_MemoryRetentionCtrl( 1,
    SYSCTRL_SYS_MEM_BLOCK_0 | SYSCTRL_SYS_MEM_BLOCK_1 |
    SYSCTRL_SHARE_MEM_BLOCK_0);

另有 1 个内存块可配置为 SYS RAM 或者高速缓存，其配置可通过 SYSCTRL_CacheControl 动态修改。 将其映射为 SYS RAM 后，可按照表 14.4 中的地址访问。

表 14.4: 可用作高速缓存的内存块
名称 大小 (KiB) 配置为 SYS RAM 时的地址范围
Cache-M 4 0x2000C000~0x2000CFFF

这个内存块默认处于 Cache 模式。当需要更多的 RAM 时，通过 SYSCTRL_CacheControl 可将这块内存映射为普通 RAM：

void SYSCTRL_ICacheControl(SYSCTRL_CacheMemCtrl i_cache);

SYSCTRL_CacheMemCtrl 包含两个值，对应 Cache 模式和 SYS MEM 模式：

typedef enum
{
    SYSCTRL_MEM_BLOCK_AS_CACHE = 0,
    SYSCTRL_MEM_BLOCK_AS_SYS_MEM = 1,
} SYSCTRL_CacheMemCtrl;

务必注意：

  1. 从低功耗状态唤醒时，这两个内存块都将恢复默认值 AS_CACHE；
  2. 低功耗状态时，这两个内存块里的数据（无论处于哪种模式）都会丢失；
  3. 映射为普通 RAM 后，系统缺少高速缓存，性能有可能明显下降。

  1. 每个外设可单独对 hclk 门控。↩︎

  2. 仅高速时钟。↩︎

  3. 每个外设可单独对 sclk_fast_per 门控和选择↩︎

  4. 以 24MHz 晶体为参考。↩︎

  5. 比如认为 SYSCTRL_AutoTuneSlowRC 耗时过长。↩︎

  6. SYSCTRL_SelectUsedDmaItems 的 items 参数里对应的比特为 0↩︎