IMX6ULL裸机｜CPS指令、时钟PLL/PFD、定时器EPIT/GPT、UART串口全梳理

📝摘要：本篇承接IMX6ULL裸机开发笔记，讲解CPS模式/中断开关指令、裸机启动完整流程、GIC中断优先级体系；时钟系统晶振、PLL锁相环、PFD相位分数分频、预分频Prescale；EPIT自减定时器、GPT自增定时器功能；UART串口参数、硬件流控RTS/CTS，附带代码片段，适合嵌入式期末复习、裸机实验。
🔖标签：#IMX6ULL #CPS指令 #PLL时钟 #EPIT GPT定时器 #UART串口

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1. CPS指令：模式切换与IRQ/FIQ中断开关

CPS指令从 ARMv6指令集开始支持，Cortex‑A7属于ARMv7，完全支持；用于快速切换处理器模式、快速开关IRQ/FIQ中断，不需要MRS/MSR读写CPSR。

① 切换处理器工作模式

语法：CPS #<mode_number>

cps #0x12   ; 0b10010 → IRQ模式
cps #0x1F   ; 0b11111 → System系统模式

对比旧方案：传统需要MRS→修改寄存器→MSR三步；CPS单条指令完成模式切换。

② 快速使能/关闭中断

• CPSIE i：CPS Interrupt Enable，使能IRQ普通中断
• CPSID i：CPS Interrupt Disable，屏蔽IRQ普通中断
• CPSIE f：使能FIQ快速中断
• CPSID f：屏蔽FIQ快速中断

示例汇编片段

cpsid i     ; 关闭IRQ，防止初始化阶段被中断打断
cps #0x12   ; 进入IRQ模式
; 设置IRQ模式栈指针
cps #0x1F   ; 切回System模式
cpsie i     ; 初始化完成，打开IRQ中断

⚠️注意：CPS只能在特权模式执行，USER用户模式下不能使用CPS修改模式/中断掩码。

2. ARM裸机启动汇编标准流程

裸机start.S汇编入口完整执行步骤：

1. 设置异常向量表；
2. CP15协处理器操作，完成异常向量表地址重映射，把向量表基地址设置到0x87800000；
3. 为各个处理器工作模式开辟独立栈：IRQ模式栈、System模式栈；
4. 使用CPSIE i使能IRQ内核中断总开关；
5. 清零.bss段（把初始值为0的全局变量内存全部置零）；
6. CP15打开I‑Cache指令高速缓存，提升取指速度；
7. 跳转bl main，进入C语言main函数。

简易框架start.S片段

.global _start
_start:
    cpsid i                     ; 先关闭中断
    ; 1.向量表重映射，设置CP15 c12寄存器
    ldr r0,=0x87800000
    mcr p15,0,r0,c12,c0,0

    ; 2.设置IRQ模式栈
    cps #0x12
    ldr sp,=0x86000000

    ; 3.设置System模式栈
    cps #0x1F
    ldr sp,=0x84000000

    cpsie i                     ; 开启IRQ中断

    ; 4.清零bss段
    ldr r0,=__bss_start__
    ldr r1,=__bss_end__
bss_loop:
    cmp r0,r1
    beq bss_done
    mov r2,#0
    str r2,[r0],#4
    b bss_loop
bss_done:

    ; 5.打开I‑Cache
    mrc p15,0,r0,c1,c0,0
    orr r0,r0,#(1<<12)
    mcr p15,0,r0,c1,c0,0

    bl main         ;跳转到C语言main
    b .             ;main返回就死循环

3. GIC‑V2中断优先级体系

GIC‑V2总共有256个优先级（0~255），数字越小优先级越高。

IMX6ULL实际裁剪为 32级优先级：0 ~ 31，数值越小优先级越高。

优先级拆分为两部分：

1. 抢占优先级（组优先级）：高抢占优先级中断可以抢占低抢占优先级中断，实现中断嵌套；
2. 子优先级：同抢占优先级的多个中断同时到来，按子优先级决定处理先后；不能发生中断抢占。

💡开闭原则OCP（Open‑Closed Principle）：面向对象设计思想

• 对扩展开放：新增功能，尽量新增代码；
• 对修改关闭：尽量不去修改已经稳定的旧业务代码。

4. 时钟系统：晶振、PLL、Prescale预分频、PFD相位分数分频

晶振分类

1. 无源晶振：外部只提供振荡源，需要芯片内部振荡电路；
2. 有源晶振：自带振荡电路，直接输出稳定时钟波形。
   IMX6ULL外部主晶振：24MHZ无源晶振，作为整个芯片时钟树根。

三大时钟模块

1. PLL 锁相环 Phase‑Locked Loop

实现整数倍倍频：输入时钟 × N
例：24MHz输入，N倍，输出 = 24MHz × N

2. Prescale 预分频器

整数分频：输入时钟 ÷ M
例：24MHz输入，M分频，输出 = 24MHz / M

3. PFD相位分数分频器 Phase Fraction Divider

支持分数倍频/降频：输出 = 24MHz × (N / M)

• N/M >1 → 倍频；
• N/M <1 → 降频。

IMX6ULL时钟配置工作步骤：

1. 配置ARM内核PLL，输出528MHZ给Cortex‑A7内核；
2. 配置PLL2下4路PFD、PLL3下4路PFD；
3. 配置3路根时钟（典型132MHz、66MHz、66MHz），给片内外设（UART、GPT、EPIT等）提供时钟源。

硬件框图逻辑：24M晶振输入，经过PLL/PFD产生高频时钟，再经过各级预分频得到外设工作时钟。

5. IMX6ULL定时器EPIT与GPT

EPIT定时器（自减型定时器）

• 32位，计数范围 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF，从初值向下自减。
  两种工作模式：

1. Free‑Running Mode自由运行模式：计数器从0xFFFFFFFF开始向下递减；计数到0后自动重装0xFFFFFFFF。
2. Set‑and‑Forget Mode 设置‑遗忘模式：写入初值，计数器向下减，计数到0自动重新加载用户设置的初值，适合周期性定时中断。>

时钟源可以选择24MHz主晶振或者32.768KHZ RTC实时时钟。

GPT定时器（自增型定时器）

• 32位，计数器向上自增，范围0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF。
  两大核心功能：

1. 输入捕获 Input Capture：捕获外部引脚电平跳变，计算两次跳变之间时间间隔；典型场景：测量脉冲宽度、测量电机转速。
2. 输出比较 Output Compare：计数器计到设定阈值，硬件自动输出指定电平，产生PWM方波；用于电机驱动、LED呼吸灯。

简单伪代码软件延时示例（裸机，实际项目尽量使用硬件定时器）

//软件粗略延时，不精准，仅演示
void delay_us(unsigned int n)
{
    while(n--){
        ;
    }
}

💡按键消抖两种实现

1. 硬件消抖：增加RC电容，电容阻断直流，导通交流，滤除抖动尖峰；
2. 软件消抖：定时器延时，抖动时间过后再读取按键电平。

6. UART串口通信、波特率、硬件流控RTS‑CTS

串口典型参数：115200 8 N 1

含义：波特率115200，数据位8，无校验位，停止位1。

波特率生成原理

IMX6ULL UART波特率计算公式
$$Baudrate=\frac{Re{f}_{C}lock}{(UBMR+1)\times 16}$$
示例：参考时钟下，UBMR=43402，UBIR=999，得到波特率115200。

硬件流控 RTS / CTS

用于防止接收缓冲区溢出丢包，强干扰工业场景常用：

1. RTS_B(Request To Send 请求发送)：我方输出引脚，通知对方：我这边接收缓冲区有空，可以接收你的数据。
2. CTS_B(Clear To Send 清除发送)：输入引脚，读取对方状态；对方拉低CTS，代表请暂停发送数据。

逻辑：当接收端缓冲区快要满，RTS置无效，通知发送方停止发送；缓冲区腾出空间，RTS恢复有效，通知对方继续传输。
流控分为硬件RTS/CTS流控 和 XON/XOFF软件流控。

7. 拓展：Modbus总线拓扑与校验

Modbus工业总线，典型一主多从拓扑：

• Master主机：IMX6ULL；
• Slaver从机：多个IMX6ULL/传感器设备。

总线运行在强干扰、强电场工业环境，必须使用校验保障数据正确性：

1. 累加和校验：全部字节简单相加取低字节；实现简单，纠错能力弱。
2. 奇偶校验：统计bit中1的个数；只能检出单bit错误。
3. CRC循环冗余校验：工业最常用，检错能力最强。

8. 英文缩写全称对照表

缩写	英文全称	中文释义
CPS	Change Processor State	修改处理器状态指令（ARMv6+）
IRQ	Interrupt Request	普通中断请求
FIQ	Fast Interrupt Request	快速中断请求
OCP	Open‑Closed Principle	开闭原则（面向对象设计原则）
PLL	Phase‑Locked Loop	锁相环，实现整数倍时钟倍频
PFD	Phase Fraction Divider	相位分数分频器，支持分数倍频分频
Prescale	Prescaler	预分频器，整数分频
EPIT	Enhanced Periodic Interrupt Timer	增强型周期中断定时器（自减）
GPT	General Purpose Timer	通用定时器（自增）
RTC	Real‑Time Clock	实时时钟
RTS	Request To Send	请求发送（硬件流控输出信号）
CTS	Clear To Send	清除发送（硬件流控输入信号）
CRC	Cyclic Redundancy Check	循环冗余校验
Modbus	Modbus	工业串行通信总线协议

💡复习小结

1. CPS指令ARMv6之后支持，快速切换模式、开关IRQ/FIQ，特权模式才能使用；
2. 裸机启动顺序：向量表重映射 → 设置各模式栈 → 清零bss → 开ICache → 跳C main；
3. GIC优先级数字越小优先级越高；抢占优先级控制中断嵌套，子优先级仅控制同优先级处理顺序；
4. PLL整数倍频，PFD支持分数倍频/分频；外部24MHz晶振为IMX6ULL时钟树根；
5. EPIT向下计数，GPT向上计数，GPT支持输入捕获、输出比较PWM；
6. UART硬件流控RTS/CTS用来防止缓冲区溢出丢包；工业Modbus常用CRC校验。