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平台：
Code Composer Studio 6.2.0 + Grace 2.2.0
MSP430G2553 LaunchPad™ Development Kit (MSP-EXP430G2ET)

_  以下大部分内容摘自《LaunchPad口袋实验平台 —— MSP-EXP430G2篇》傅强、杨艳 编著（TI大学计划嵌入式微控制器技术丛书）_

系统时钟概述

  现代单片机的制造工艺都差不多，靠电子元件本身节能的潜力非常有限。单片机的低功耗主要是依靠间歇工作实现的，而间歇工作的方法就是启停系统时钟。如果像普通 51 单片机那样只有一个时钟，关掉时钟意味着单片机全面停工，节能的同时也没法正常使用了。所以出于低功耗的需要，MSP430 单片机工作的系统时钟被分为了 MCLK、SMCLK 和 ACLK 三个，可以根据需要关闭其中的一个几个或全部。
  MCU 内需要时钟的单元包括 CPU 和部分片内外设，三种时钟的功能区别如下：

  1. MCLK:主时钟(Main system Clock) ， 专为CPU运行提供的时钟。MCLK频率配置的越高，CPU执行的速度越快。虽然CPU速度越快功耗也越高，但高频率的MCLK可以让CPU工作时间更短。所以正确的低功耗设计并不是要尽量降低MCLK，而是在不用CPU时立刻关闭MCLK。在大部分应用中，需要CPU运算的时间都非常短，所以，间歇开启MCLK (唤醒CPU)的方法节能效果非常明显。
  2. SMCLK:子系统时钟(Sub-main Clock) ，专为一些需要高速时钟的片内外设提供服务，比如定时器和ADC采样等。当CPU休眠时，只要SMCLK开启，定时器和ADC仍可工作(一般待片内外设完成工作后触发中断，唤醒CPU去做后续工作)。
  3. ACLK:辅助时钟(Auxillary Clock)，辅助时钟的频率很低，所以即使一直开启功耗也不大，当然关掉也是可以的。辅助时钟可以供给那些只需低频时钟的片内外设，比如LCD控制器，还可用于产生节拍时基，与定时器配合间歇唤醒CPU。

  MCLK、SMCLK 和 ACLK 三者关系用更形象的比喻就是主力部队（MCLK）、先头部队（SMCLK）、警戒哨兵（ACLK）的关系。

  1. 需要用主力部队的时候不多，一般情况都处于休整状态，以节约“给养”（功耗）。
  2. 能只用先头部队解决的问题，就别动用主力，待先头部队完成自己的任务后，再请主力出马。
  3. 当没有实际“敌人”的时候，主力部队和先头部队都可以休整，但是要放上哨兵作为警戒，发现“敌人”可以随时唤醒主力部队。

BCS+模块单元的基本构造

  MCLK、SMCLK 和 ACLK 及其来源构造在 MSP430x2xx 系列单片机中称为 Basic Clock Module+单元，如下图所示。
  下图所示的框图乍一眼看过去异常复杂，需要设置的寄存器多如牛毛。但是我们需要明白一点，单片机的设计者已经把所有能为用户完成的事都做完了，所预留的寄存器是必须由“主人”控制的各种开关。相比于设计实际硬件电路将会遇到的各种问题，没有什么比拨一下开关更简单的事了。在理解单片机设计者的设计意图后，再借助 Grace 配置各种寄存器将事半功倍、胸有成竹。
  下图右侧三个框部分是最终单片机使用的三种时钟，左边表明了这些时钟的可能来源，右侧框中有一系列的来源选择开关、分频控制开关、输出开关。下图左边部分是时钟的可能来源，为了兼顾精度、成本和方便使用，时钟的来源分成 3 大类，即低频振荡器、 高频（石英晶体）振荡器（目前 MSP430G 系列单片机不支持）和数控振荡器。
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  点击 “Device Overview（设备概述） “链接，可查看可供配置的外围模块（以蓝色描述）。
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  其中带底色框图部分可以用鼠标点击，是可由用户配置的资源。当前有 3 个模块上有✔，分别是时钟（Oscillators Basic Clock System+），P1 口（Port P1），看门狗（Watchdog WDT+），表明目前默认配置并启用了这 3 个模块的资源。点击其他带底色框模块，即可对选中模块进行配置。
  在上图中有一个电源下拉框，默认显示 1.8V，有初学者认为这个地方设多少伏将来单片机“内部”就会变出多少电压来，这个观点的因果关系是错的。实际单片机供电是多少伏，框里就应该选多少伏，Grace 有必要知道单片机的实际供电电压，因为在低电压情况下，某些外设不能使用，Grace 会自动屏蔽配置该外设的功能。
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  我们点击时钟进行配置，如下图所示，默认勾选 Enable Clock in my configuration（在我的配置中启用时钟），然后就会出现 Overview、Basic User、Power User、Register 四个按钮。默认是停留在Overview 状态，所以下图中 Overview 是灰色不可点击的。

时钟-概览

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该介绍机翻如下：

介绍

  基本时钟模块+（BCS+）支持低系统成本和超低功率消耗。使用三个内部时钟信号，用户可以选择性能和低功耗的最佳平衡。在完全的软件控制下，BCS+可以被配置为在没有任何外部元件的情况下工作，使用一个外部电阻，使用一个或两个外部晶体，或使用谐振器。
  BCS+集成了一个振荡器故障安全功能，可检测LFXT1和XT2的振荡器故障。如果相应的晶体振荡器被打开且运行不正常，则晶体振荡器故障位LFXT1OF和XT2OF被置位。只要故障条件存在，故障位就一直被置位，如果启用的振荡器功能正常，则自动清除。
  当检测到振荡器故障（LFXT1OF或XT2OF）时，OFIFG振荡器故障标志被置位。如果OFIE被置位，OFIFG请求一个NMI中断。当中断被允许时，OFIE自动被重置。OFIFG标志必须由软件来清除。故障的来源可以通过检查各个故障位来确定。
  如果检测到为MCLK供电的晶体振荡器有故障，MCLK会自动切换到DCO作为其时钟源。

Basic User 模式

  在点击了 Basic User 后，如下图所示，我们进入了基础配置模式。这个模式更贴切的说是“傻瓜”模式。从图中我们可看到，只要下拉菜单，便可完成时钟的配置，完全没有多余的废话。
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  对于希望快速上手的初学者，可以使用 Grace 的 Basic User 模式配置时钟，瞬间即可完成。如下图所示，DCO 频率可设为 1/8/12/16MHz，这 4 个频率经过出厂校准，比较准确。如果没焊外部手表晶振，低频信号源选择 12kHz 内部振荡器， 焊了手表晶振就选32.768kHz。
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Power User 模式

  点击 Power User ，如下图所示，可配置的选项骤然增多。这是大概知晓 BCS+原理的半熟练工用的图形化配置模式，注意到右下角还包括对中断服务子函数内调用的“中断事件函数”的配置。
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部分内容机翻： 该系统使用一个低频振荡器。频率可在4kHz至20kHz之间变化。见具体的设备数据表。
Note 1：
  通过启用中断处理程序，Grace在src文件夹内的InterruptVectors init.c文件中生成了一个完全工作的中断服务程序。用户可以在ISR的指定区域内插入代码，并且代码被保留下来。当用户禁用中断处理程序时，用户插入的代码会保留在文件的底部，如果用户重新启用中断处理程序，会自动重新插入。用户也可以手动删除这些代码，当它不再…
Note 2：
  手动配置DCO频率可能会导致+/-10%的频率偏差。预先校准的DCO有+/-3%的频率偏差。更多信息见数据表。
Note 3：
  根据系统上升时间设置一个以毫秒为单位的延迟值，以确保不违反VCC与MCLK的关系。强烈建议在设置非默认的系统时钟频率时，确保系统的正常启动。

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  为了进一步理解 BCS+的结构，结合上图中标注的 10 个知识点，下面分 10 个小结来讲解。

1. 数控振荡器 DCO

  MSP430G 系列单片机目前只能通过内部数控振荡器 DCO 来获得高频时钟，将来可能推出支持高频外部晶振的型号。
  DCO 的原理实际是一个开环控制的振荡器，DCO 模块内置系列（振荡）电阻，供选择频率范围（RSELx 共 4 位，16 档），也就是 RSELx 管粗调。接下来是对振荡频率进行分频（DCOx 有 3 位，共 8 档，档位步进约 10%），也就是 DCOx 负责细调。振荡频率范围和分档的设定示意图见下图。
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  粗调和细调仍不满足要求怎么办？例如上文提到 DCOx 每档频率步进约 10%，如果我想频率只递增 5%怎么办？为了得到更多的频率，MSP430 单片机引入了小数分频的概念。如下图所示，利用混频器 Modulator，可以交替输出 DCOx 和 DCOx+1 两种频率，如果按 1:1 比例，就相当于输出了 DCOx+0.5 这一档频率。
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  混频器当然也可以不按 1:1 混频，寄存器 MODx 共 5 位，用于设定两种频率在 32 个脉冲中所占比例，混频后的完整周期（32 个 CLK）可由如下公式表示：



t=(32−MODx​)∗tDCO​+MODx​∗tDCO​+1
  大家可能会好奇这样得到的“等效”频率的时钟能用吗？答案是当然有用，可以用于配置通讯的波特率。如果 MODx 设定值不为 0，显然经混频得到的振荡波形在示波器上看将会“抖动”，对于时钟瞬时稳定度要求高的场合应避免使用混频。

2. 出厂预校正频率

  DCO 与一些型号 MSP430 配置的数字锁频环（FLL）不同，DCO 并不是一个带反馈的振荡器，而开环输出频率的误差很大。也就是说 RSELx 的粗调和 DCOx 的细调都是非线性的。如何保证 DCO 输出频率精度呢？在出厂时，每一块单片机都校正了 4 个频率值(1/8/12/16MHz)，将这 4 个频率值的校验参数（RSELx/DCOx/MODx 的取值）存在了单片机片内 Flash 的 Info A 段中。
  在如下BCS+初始化配置代码中，设置 DCO 为 1MHz，实际就是调取出厂校验参数CALBC1_1MHZ 和 CALDCO_1MHZ。

 void BCSplus_init(void) {
 ...
 BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; /* Set DCO to 1MHz */
 DCOCTL = CALDCO_1MHZ;
 ...
}

  既然是校验参数，那么每一块单片机会都不一样， MSP430G2553 单片机的 DCO 校验参数 CALBC1_xMHz 和 CALDCO_xMHz 在 Flash ROM 中的地址如下表所示。1 个字中的高 8 位用来存储 CALBC1_xMHz 参数，将来用于配置 BCSCTL1 寄存器。1 个字中的低 8 位用来存储 CALDCO_xMHz 参数，将来用于配置 DCOCTL 寄存器。

  1. MSP430 可以直接读写 1 个字（2 个字节，因为 MSP430 的 CPU 是 16 位的）。
  2. 也可以只读写其中一个字节（寻址到字节）。
  3. 但是不能直接读取 1 位（不能寻址到位）。
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  在上表中最后一栏是基址和偏移地址（Tag Address and Offset），当我们对一段连续的内存进行操作时，往往采用宏定义基址，再操作偏移地址的方法来增加程序的可靠性（有了基址，就不易发生误写其他内存段的情况）和可读性（偏移地址都很小，容易看出规律）。
  我们还可以在 CCS 软件中查看单片机的校验参数值，插上 LaunchPad 开发板，建立任何一个工程运行仿真，然后可以在 Registers 中的 Calibration_Data 中找到 CALDCO_xMHz 和CALBC1_xMHz 的各个 Value 值。由于 Flash 储存器的值是可以被人为改写的，将来大家在学习 Flash 控制器的时候，很可能误操作将 Calibration_Data 数据删除。所以建议大家将自己手头 G2 中的 Calibration_Data 记下来，保存备用，万一删除，还可以想办法恢复。
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  Grace 代码在配置 DCO 为 xMHz 前，有一句代码：“if (CALBC1_xMHZ != 0xFF)”，这是用于判断 Flash 中校验参数还在不在（Flash 一旦被擦除，所有位都是 1），防止误操作用的。

3. 低频振荡器 VLO

  为了尽可能节约成本和简化外部电路，MSP430x2xx 内部还集成了一个低频振荡器VLO，用于取代 32.768kHz 手表晶振。低频振荡器的标称值是 12kHz，它与 DCO 一样，实际频率受温度和供电电压影响（范围 4kHz~20kHz）。
  VLO 一般用于对频率精度要求不高的场合。

4. 内部匹配电容

  用过 51 单片机的读者知道，晶振引脚上可能需要接电容才能正常工作。还是基于节约成本简化电路的目的，当使用外部晶振时，可以由单片机内部提供可选的 1/6/10/12.5pF 晶振电容。

5. 延时启动

  随供电电压的不同，MSP430 单片机的最高工作频率是不一样。下图表示运行程序（读 Flash ROM）和编程（擦写 Flash ROM）时所需的供电电压与 CPU 频率的关系。例如，MSP430 最低可以 1.8V 供电，但此时的工作频率最高为 6MHz，并且只能运行程序，不能擦 写 Flash ROM。
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  单片机刚上电时，VCC 是逐渐达到额定值的，如果在 VCC 很低的时候将 MCLK 设置频率很高就会与上图所示的限定条件相冲突。设置数 ms 的延时，等待 VCC 达到额定值再配置 MCLK 频率就可以解决这个问题。具体代码为：

if (CALBC1_8MHZ != 0xFF) 
{
	 /* Adjust this accordingly to your VCC rise time */
	 __delay_cycles(10000); //等待VCC达到额定值
	 DCOCTL = 0x00;
	 BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; /* Set DCO to 8MHz */
	 DCOCTL = CALDCO_8MHZ;
 }

 

<a id=”6MCLK114”>6. 自动选择 MCLK 源

 

  MCLK 的时钟是提供给 CPU 的，如果没有 MCLK 单片机就是“死的”。所以，MSP430中有一个智能机制，不管软件设定的 MCLK 时钟源是什么，最终 CPU 总会找一个“正常”的时钟使自己先“活过来”。这就是自动选择 MCLK，此功能不需要设置，强行派送的。

<a id=”7116”>7. 时钟输出

  理论上 MSP430 单片机的 3 个时钟 MCLK、SMCLK、ACLK 都可以对外输出，但是有的单片机受 IO 口数量的限制，没有预留 CLK 输出口。比如 MSP430G2553 单片机，预留了SMCLK、ACLK 输出口，但是没有 MCLK 输出口。

8. 振荡器失效中断

  当配置了使用外部晶振，而外部晶振没有正常工作（无振荡、或振荡频率不够高），单片机有一个保护机制，MCLK 将会自动切换到使用内部 DCO 工作。同时，XT2OF 或LFXT1OF 两个错误标识位将会置位（MSP430G2553 没有高频晶振对应的 XT2OF），可以引发一个中断告知用户该事件，除非外部振荡器恢复正常，否则错误标识位将一直保持。判断失效的频率范围视具体型号而不同。

9. 中断事件处理函数

  在 Grace 中，可以直接命名一个中断事件处理函数，这个函数将来会出现在中断服务子函数中，这种写法的可读性高。因为中断函数本身很分散（甚至在不同文件中），写在中断中的代码总是难于阅读的，所以中断中尽量只写事件处理函数的“空壳”，而把实际中断事件处理函数汇集到一个文件中，集中阅读。

#pragma vector=NMI_VECTOR
__interrupt void NMI_ISR_HOOK(void) 
{
	/* Oscillator fault interrupt handler */
	BCS_OF();
	/* No change in operating mode on exit */
}

 

<a id=”10132”>10. 退出中断后的节能选项

  MSP430 中，进出中断前后的节能设置可以在中断服务子函数中修改。Grace 提供了快捷修改的方法，直接在下拉菜单中选择即可。

Registers 模式

  点击 Registers ，如下图所示，所有 BCS+（时钟）相关的寄存器豁然在列。这些寄存器有的是用鼠标勾选，有的组合需要鼠标下拉，但是所有位在鼠标停留时都会有提示。这个模式，属于真正懂 BCS+原理的人才能配置。
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使用Grace改变系统时钟

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  修改配置后，Ctrl+S保存，并点击小锤子
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  经编译后工程中多了 src 文件夹，展开之后我们得到一系列 Grace 配置文件，其中 Basic clock system +模块的初始化文件名为 BCSplus_init.c，这就是我们刚刚图形化设置的时钟配置。
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低功耗模式

  MSP430x2xx 系列单片机的 CPU 共有 5 种工作模式分别为 AM（Active Mode）、LPM0（Low Power Mode 0）、LPM1、LPM2、LPM3，如图 4.9 所示为各种工作模式下的电流值。相比于 Active 工作模式的 300μA，常用的 LPM3（哨兵警戒）模式的电流仅需不到 1μA，而LPM4 模式耗电 0.1μA 比电池漏电流还小，直接可当关机使用。
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  在 MSP430 单片机中，是如何控制低功耗模式的呢？我们花 10 秒钟翻回到下图所示原理框图中，下划线标注了一些开关，这些开关决定了是否停止振荡器，是否关闭输出。
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  1. “停止”和“关闭”，两者的区别是停止振荡器消耗的功率更低。但是， “停止”后若要重新开启振荡器，直到振荡器能稳定输出是需要时间的，这个时间的长短在具体型号的器件说明书中可以查询。
  2. 不停止振荡器，但关闭输出，则可以快速切换到正常输出状态。
  3. 所有这些开关的组合构成了单片机的活动模式(ActiveMode)和另外4种低功耗休眠模式(Low Power Mode)，详见下表所示。
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      所有 4 种模式中，LPM0（主力休眠，先头部队工作）和 LPM3（主力和先头部队都休眠，仅留警戒哨兵）最常用，LPM4 则当关机使用。

直接配置系统时钟

  前面我们学习了如何用 Grace 配置时钟，其实对 MSPG2553 单片机来说，MCLK 和SMCLK 基本就是使用 DCO（没外部高频晶振可用）。有 32.768kHz 手表晶振，则 ACLK 选32.768Hz，没有就选 12kHz 的 VLO。所以，直接代码配置时钟也很方便，直接调用 DCO 出厂校验参数即可。

  1. 将 MSP430G2553 的时钟设置为 MCLK 和 SMCLK 均为 8MHz，ACLK 设为 32.768kHz。
DCOCTL = CALDCO_8MHZ; // 调取出厂校准后存储在Flash中的参数
BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; // BCSCTL3参数默认不用设
  1. 将 MSP430G2553 的时钟设置为 MCLK 和 SMCLK 均为 16MHz，ACLK 设为内部低频振荡器。
DCOCTL = CALDCO_16MHZ; // 调取出厂校准后存储在Flash中的参数
BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ;
BCSCTL3 |= LFXT1S1; // 设为内部低频振荡器
  1. 将 MSP430G2553 的时钟设置为 MCLK 和 SMCLK 均为 16MHz，ACLK 设为使用32.768kHz 晶振且 4 分频。
DCOCTL = CALDCO_16MHZ; // 调取出厂校准后存储在Flash中的参数
BCSCTL1 = CALBC1_16MHZ; 
BCSCTL1 |= DIVA_2; // 补充修改 BCSCTL 的 DIVAx 位，4 分频
  1. 将 MSP430G2553 的时钟设置为 MCLK4MHz，SMCLK 为 2MHz，ACLK 设为使用32.768kHz 晶振。
DCOCTL = CALDCO_8MHZ; // 先设为 8MHz
BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; 
BCSCTL2 |= DIVM_1+DIVS_2; // 再对 MCLK 2 分频 ，SMCLK 4 分频