Introduction ============== Real-Time Clock(RTC)是負責記錄時間的元件，出現在需要長期使用時鐘的電子設備中。例如學校定時關閉冷氣的裝置，以及手機上的鬧鈴功能。 System Overview ----------------- 基本上RTC（Real-time clock）本身就是一個真正的時鐘，利用原本STM本身所內建的振盪器再利用Prescaler降成1Hz讓RTC使用。利用硬體達成的binary-coded decimal (BCD) format，可以把下列與時間有關的資訊儲存，而且不需要任何軟體轉換，因為硬體就已經把資料轉成一般的日期格式。 - sub-seconds - seconds - minutes - hours in 12-hour or 24-hour format - day of the week (day) - day of the month (date) - month - year 可用的功能 - Alarm A ＆ Alarm B - Auto wakeup - Timestamp - Tamper detection Block Diagram -------------------- [#]_ .. [#] `Block Diagram `_ p.780 .. image:: /rtc_block.png Functional Description ============================ Clock Source -------------------- .. image:: /clocksource2.png **STM32的 Clock 有分成「SYSCLK」和「Secondary Clock」：** SYSCLK為系統的clock有三種來源： 1. **HSI** (High-Speed Internal) ：16MHz,RC電路 2. **HSE** (Low-Speed External)：4-26MHz (一般選用8MHz),石英震盪 3. Main **PLL** clock Secondary Clock: 1. **LSI** (Low-Speed Internal) ：40kHz,RC電路震盪 2. **LSE** (High-Speed External)：32.768kHz,石英震盪 ----> RTC 主要是使用 **HSE** , **LSI** , **LSE** 三種來源 [#]_ .. [#] `Clock Source `_ p.150 ------------------------------------------------------------------------------------------------- **比較 「HSE」, 「LSI」 , 「LSE」三種輸入來源：** - HSE - 較為耗能， 可以處理像是USB或TV訊號的clock，需要和和另一個clock穩定同步。 - LSI - 是一個低功耗的clock，可以在停機或待機模式下保持運行，用在auto-wakeup(簡稱AWU)與 watchdog看門狗(簡稱IMDG)。 - LSE - 它是一個低功耗且精準的clock，適合用在時間的精確計算。 Prescaler -------------------- .. image:: /stm32 RTC prescaler.png ``ck_spre``一般而言要降為1Hz的頻率，因為省電的因素STM設計了兩個Prescaler。7 bit非同步prescaler(``PREDIV_A``)和15 bit同步的prescaler(``PREDIV_S``)。這兩個prescaler要在RTC_PRER的暫存器設定。*ST在Reference有說明當兩個Prescaler都使用時，建議讓非同步的Prescaler讓他有較大的值，以讓系統更省電* 所以``ck_spre``與兩個prescaler的關係為: .. image:: /ck_spre2.png 例如: LSE: 32.768kHz / (**127**+1) / (**255**+1) = 1Hz LSI: 32kHz / (**127**+1) /(**249**+1) =1Hz [#]_ .. [#] `prescaler `_ p.781 ------------------------------------------- Calibration ----------------------------- RTC裡面有兩個校正功能，一個是coarse calibration另一個是smooth calibration。[#]_ .. [#] `Calibration `_ p.787 這兩個校正不能同時被使用，而前者只能固定修正，後者則可以動態的校正。後者也可以較大範圍及更精準的校正。 **1、RTC coarse calibration ：** - 被使用在補償石英震盪器的校正。 - 在非同步分頻器(ck_apre)的輸出，藉由增加或減少時間的週期達到校正，最大範圍的校正為63ppm~126ppm。 - 只能在初始化Calendar時候修改，是一個**開迴路控制**(opened loop control)(又稱非回授控制系統)。 - 可以利用AFO_CALIB去計算clock deviation。不能以圖中512Hz的訊號去確認coarse calibration的輸出結果，只能使用ck_spre確認校正的結果。 - reference clock calibration 和 coarse calibration 不能同時使用。 ----------------------------------------------------------------- .. image:: /coarse cal.png **2、RTC smooth calibration：** - 可以補償石英震盪器的偏差，此偏差可能是晶體老化或者溫度所造成。 - 利用每個RTCCLK pulse為單位做出小幅調整，來修正RTC的clock頻率。 - 最大範圍的校正為-487.1ppm~+488.5ppm。 - 與coarse calibration不同，是屬於**閉迴路控制**(closed loop control)(又稱回授控制系統)。 - 可以使用AFO_CALIB來計算時間偏差，而且可直接檢查512Hz和1Hz的校正輸出。 ---------------------------------------------------------------------------- .. image:: /smooth cal.png **3、RTC reference clock detection：** - 利用外部時鐘校正，其時鐘源必須要比LSE的時鐘還精準。[#]_ .. [#] `RTC reference clock `_ p.786 RTC Calendar -------------------- .. image:: /RTC_calendar.png **讀取Calendar:** 當在讀取Calendar時其實並不是真正直接讀取calendar register，其實是在讀shadow register，如果想要直接讀取calendar必須 要設BYPSHAD控制位元為1(在RTC_C Rregister)才能繞過shadow register而直接讀取calender register。 **Shadow Register:** - 通常初始化和讀取的動作採用Shadow Register。 - 每兩個RTCCLK時間週期，RTC的calendar register (RTC_SSR, RTC_TR, and RTC_DR)的值會被自動更新到Shadow Register。 [#]_ .. [#] `Calendar `_ p.780 ----------------------------- Alternate Function Outputs & Inputs ------------------------------------------ Alternate function 可以將RTC某些功能對應到輸出的接腳(GPIO Pin)，這些輸出可以被選擇成**tamp event** 或 **time stamp event**， 甚至RTC Calibration 的訊號都可以藉由這個功能輸出。 [#]_ 可以選擇兩個輸出: - 輸出接腳 **RTC_AF1(PC13)** : - RTC_ALARM output: 1. RTC Alarm A 2. RTC Alarm B 3. RTC Wakeup - RTC_CALIB output - RTC_TAMP1 - RTC_TS - 輸出接腳 **RTC_AF2 (PI8)** : - RTC_TAMP1 - RTC_TAMP2 - RTC_TS .. [#] `Alternate Function Outputs & Inputs `_ p.227 *PI8接腳參考: datasheet p.10* Low Power Modes ------------------- - RTC 設計為最小的耗能，在休眠模式下，RTC將繼續動作。 [#]_ - 當clock 的來源是LSE 或 LSI，在停止模式與待機模式下，RTC仍然活躍的動作。 - 在低功率( low power mode)模式下，Alarm, tamper event, time stamp event, and wakeup 依然會被中斷所啟動。 .. image:: /Power.png **比較三種低功耗** - **睡眠模式（sleep mode）**：CPU停止工作，週邊設備繼續工作。 - **停機模式（stop mode）**：CPU停止工作，HSI、HSE進入關閉模式，STM32工作狀態仍然保留。（RTC正常運行） - **待機模式（standby mode）**：STM32所有SRAM與暫存器內容，全部遺失（RTC正常運行）從待機模式喚醒相當於重新復歸。 **電流消耗** - 一般運行模式 ： 8.5mA - 低功耗模式 - 睡眠模式 ： 0.5mA - 停機模式 ：24uA - 待機模式：2uA .. [#] `Low Power Modes `_ p.126 --------------------------------------------------- --------------------------------------------------- Interrupt Application ========================== Alarm --------------------------- - 有兩個時鐘Alarm A及Alarm B，可以當作鬧鐘使用。而且相關的register也都會有兩組。[#]_ - 可利用Mask達成不同時間的鬧鈴效果。 .. image:: /embedded/RTC/alarm_pass.png - 以設定來說，生效的時候會透過EXTI_Line17的外部中斷RTC Alarm，讓ALRAF(ALRBF)的bit設成1 (Reference Manual p.380) ----------------------------------------------- .. image:: /Alarm3.png .. [#] `Alarm `_ p.781 **利用MSKx bits設定遮罩改變Alarm的行為:** [#]_ As an example, to configure the alarm time to 23:15:07 on Monday (預設MSK是0000) .. image:: /MSK2.png .. [#] `Alarm application note `_ p.11 ------------------------------------------------------------------------------------------ Periodic Wakeup Unit ---------------------------- - 周期性的喚醒(wakeup)可以達成類似一個定時倒數的timer，一個downcounting且會auto-reload 的timer。當它的counter數到0的時候，在打開中斷的情況下會定時觸發中斷。 - 與Alarm不同，Wakeup是定時觸發中斷，Alarm則是在特定時間才會觸發。 - 會有兩個因素影響wakeup unit的中斷觸發週期，一個是timer儲存數字的大小，一個是clock source。 **設定wakeup period** [#]_ 有三種組態： Configuration 1:**short wakeup** periods Configuration 2:**medium wakeup** periods Configuration 3: **long wakeup** periods **Configuration 1：** Prescalers connected to the timebase/wakeup unit .. image:: /wuck1.png 在這個設定中，wakeup unit，會接受由RTCCLK再經過Prescaler的clock。RTC_WUTR(RTC Wakeup Timer Register)為一個 auto-reload的down counting timer，這表示當使用者在初始化時設了一個值x，會在x數到0的時候觸發wakeup flag。 **EX：**當RTCCLK= 32768 Hz，代表著最小的timebase resolution為61.035μs(數一次的時間)，最大則是488.28 μs。 - 所以這代表著最小可觸發wakeup flag時間為**(0x0001 + 1) x 61.035 μs = 122.07 μs** - 最大可觸發wakeup flag時間為 **(0xFFFF+ 1) x 488.28 μs = 2 s** *註:STM32禁止timer初始值設為0* ---------------------------------------------------------------------------- Prescalers connected to the wakeup unit for configurations 2 and 3 .. image:: /wuck2.png 2和3的clock source相同，都是用來計算calendar的ck_spre。 **Configuration 2：** - The minimum timebase/wakeup period is **(0x0000 + 1) x 61.035 µs = 122.07 µs.** - The maximum timebase/wakeup period is**(0xFFFF+ 1) x 32 s = 131072 s (more than 36 hours).** **Configuration 3：** 其Clock Source與 Configuration 2 一樣，差在2最大可以從0xFFFF倒數至0x0000，3則是0x1FFFF至0x00000 - The minimum timebase/wakeup period is: **(0x10000 + 1) x 61.035 µs = 250.06 ms** - The maximum timebase/wakeup period is: **(0x1FFFF+ 1) x 32 s = 4194304 s (more than 48 days).** Min. and max. timebase/wakeup period when RTCCLK= 32768Hz .. image:: /MaxMin.png .. [#] `Periodic Wakeup Unit `_ p.782 -------------------------- Time-stamp Function -------------------------- 實體世界裡有「郵戳為憑」來證明信件的時間，在網路世界裡如何來證明電子文件或交易的時間? 利用Time-stamp function 可以為任何電子文件或電子交易提供準確的時間證明，並且驗證其內容自蓋上時戳後是否曾被人修改過。[#]_ Time-stamp function 提供自動幫你儲存日曆的功能 **RTC_TSDR register** : 會去讀取RTC_DR 裡面的年、月、日、周的資料並儲存 **RTC_TSTR register** : 會去讀取RTC_TR 裡面的秒、時、分的資料並儲存 **RTC_TSSR register** : 會去讀取RTC_SSR 裡面的Sub-second 的資料並儲存 .. image:: /timestamp.png .. [#] `Time-stamp Function`_ p.790 ----------------------------------------------------------------------------------------------- Tamper Detection Function --------------------------------- Tamper Detection是一個可以檢測系統是否有被竄改的功能。在Tamper發生時，RTC Backup Register會全部自動reset， 達到保護系統的作用。而也可以在Tamper發生時，讓Timestamp發生。 [#]_ **Backup registers** 在主電源 VDD(1.8~3.6V) 關掉以後，這個backup registers會動作在 VBAT (1.65~3.6V)的低功率電源( low power mode)， 所以它不會被system reset重設，它只會被tamper detection重設。或者因為backup domain reset。 ------------------------------------------------------------------------------------------ 如先前提到的，RTC_AF1和RTC_AF2可以被對映成不同接腳的輸入(alternate function )以偵測Tamper Event。 - TAMPER1 可以被對映到: RTC_AF1(PC13) 或RTC_AF2 (PI8). - TAMPER 2可以被對映到: RTC_TAMP2 pin(PI8). .. [#] `Tamper Detection Function`_ p.792 ------------------------------------------ **補充 : 何謂 Backup Domain ?** [#]_ Backup Domain 有下列幾個主要裝置: - The RTC - The LSE oscillator - The backup SRAM when the low power backup regulator is enabled PC13 to PC15 I/Os, plus PI8 I/O (when available) 當VDD停止供應電源時，Backup Domain會切到standby mode的電壓，換電池供電。在reset後，RTC registers, RTC backup register and backup SRAM會被保護以避免寫入。 SRAM:靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory, SRAM）是隨機存取儲存器的一種。所謂的「靜態」，是指這種存儲器只要保持通電，裡面儲存的數據就可以恆常保。 .. image:: /backupdomain.PNG .. [#] `Tamper Detection Function`_ p.115 Example of Code ======================== 下面的範例為先初始化RTC的Calendar再去設定Alarm A。一開始開機時時間為8:29:55，LED3,4,5會在開機五秒前輪流閃爍。但是在第五秒後也就是8:30:00，Alarm A觸發中斷將所有LED燈都關掉。LED6 為auto-wakeup 每秒閃爍直到alarm觸發中止。 `[ YouTube連結--實現RTC ] `_ .. image:: /RTCdemo.png Initialize RTC -------------------- .. code-block:: prettyprint RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); /* Enable the PWR clock */ PWR_BackupAccessCmd(ENABLE); /* Allow access to RTC */ RCC_LSICmd(ENABLE); /* Enable the LSI OSC */ while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) == RESET); /* Wait till LSI is ready */ RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSI); /* Select the RTC Clock Source */ RCC_RTCCLKCmd(ENABLE); /* Enable the RTC Clock */ RTC_WaitForSynchro(); /* Wait for RTC APB registers synchronisation */ /* Configure the RTC data register and RTC prescaler */ RTC_InitStructure.RTC_AsynchPrediv = 127; RTC_InitStructure.RTC_SynchPrediv = 249; RTC_InitStructure.RTC_HourFormat = RTC_HourFormat_24; RTC_Init(&RTC_InitStructure); ----------------------------------------------------------------- [#]_ .. [#] `Device overview `_ p.18 ----------------------------------------------------------------- Setting Time -------------------- .. code-block:: prettyprint /* set 8:29:55 */ RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStruct; RTC_TimeStruct.RTC_Hours = 0x08; RTC_TimeStruct.RTC_Minutes = 0x29; RTC_TimeStruct.RTC_Seconds = 0x55; RTC_SetTime(RTC_Format_BCD, &RTC_TimeStruct); Initialize RTC Alarm -------------------- .. code-block:: prettyprint EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; /* EXTI configuration */ EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17); EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line17; EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); /* Enable the RTC Alarm Interrupt */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = RTC_Alarm_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); -------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------- Setting Alarm Time -------------------- .. code-block:: prettyprint RTC_AlarmTypeDef RTC_AlarmStructure; RTC_AlarmCmd(RTC_Alarm_A, DISABLE); /* disable before setting or cann't write */ /* set alarm time 8:30:0 everyday */ RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_H12 = RTC_H12_AM; RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Hours = 0x08; RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Minutes = 0x30; RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Seconds = 0x0; RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmDateWeekDay = 0x31; // Nonspecific RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmDateWeekDaySel = RTC_AlarmDateWeekDaySel_Date; RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmMask = RTC_AlarmMask_DateWeekDay; // Everyday RTC_SetAlarm(RTC_Format_BCD, RTC_Alarm_A, &RTC_AlarmStructure); /* Enable Alarm */ RTC_ITConfig(RTC_IT_ALRA, ENABLE); RTC_AlarmCmd(RTC_Alarm_A, ENABLE); RTC_ClearFlag(RTC_FLAG_ALRAF); ----------------------------------------------------------------- RTC_Alarm_IRQHandler -------------------- .. code-block:: prettyprint vTaskSuspend( pvLEDTask ); RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_ALRA); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17); STM_EVAL_LEDOff(LED4); STM_EVAL_LEDOff(LED3); STM_EVAL_LEDOff(LED5); RTC_WKUP_IRQHandler -------------------- .. code-block:: prettyprint if(RTC_GetITStatus(RTC_IT_WUT) != RESET) { RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_WUT); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line22); STM_EVAL_LEDToggle(LED6); } Complete Code -------------------- LCD的程式碼, 有介紹LCD的腳位, 可顯示字串在畫面上 .. code-block:: c git clone https://github.com/zxc2694/stm32f4_LCD.git cd stm32f4_LCD make make flash 利用LCD來做RTC的應用, 可以實現時間和日期的顯示 .. code-block:: c git clone https://github.com/fboris/stm32_RTC_demo.git cd stm32_RTC_demo make make flash LCD Introduction =================== LCD(Liquid Crystal Display)為液晶顯示器，功耗極低，常在控制周邊時，用來顯示數據的變化。裡面已經有內建文字圖形（只有英文字母大小寫、阿拉伯數字、標點符號），只要輸入**ASCII碼**，便會將該字的圖形顯示於LCD，如果要顯示中文字可以利用CGRAM，自己做出想要的字。 我們的LCD則是用來顯示RTC的時間與日期，而下面有個簡單介紹，顯示0到9字的程式碼。 Pin Connection -------------------- 規格參考 ：http://www.sdec.com.tw/products.php?no=50 LCD使用了 **14 pin** . - LCD pin 1 = ground - LCD pin 2 = V+ - LCD pin 3 = ground (or use variable resistor) - LCD pin 4 ~ 13 connection ： - RS = PD.08 (PIN 8 of GPIOD) - R/W = PD.09 - E = PD.10 - DB0 = PD.00 - DB1 = PD.01 - DB2 = PD.02 - DB3 = PD.03 - DB4 = PD.04 - DB5 = PD.05 - DB6 = PD.06 - DB7 = PD.07 Control Method ------------------ .. image:: /lcdcontrol.PNG .. image:: /LCDset2.png Initial LCD Code ------------------------- .. code-block:: prettyprint /* Initialization can decide whether to open a cursor, blink and display or not. */ void Init_LCD() { vTaskDelay(100); LCD_CMD(0x003f); vTaskDelay(10); LCD_CMD(0x000c); vTaskDelay(10); LCD_CMD(0x0001); vTaskDelay(10); } Command Register Code ------------------------- .. code-block:: prettyprint /* Write command register function */ void LCD_CMD(uint16_t cmd) { int i; GPIO_SetBits(LCD_DBPORT, cmd); RS_0; RW_0; E_1; vTaskDelay(1); E_0; GPIO_ResetBits(LCD_DBPORT, cmd); } Data Register Code ------------------------- .. code-block:: prettyprint /* Write data register function */ void LCD_DATA(uint16_t data1) { int i; GPIO_SetBits(LCD_DBPORT, data1); RS_1; RW_0; E_1; vTaskDelay(1); E_0; GPIO_ResetBits(LCD_DBPORT, data1); } Display String ------------------------- .. code-block:: prettyprint /* Testing LCD can display 0~9 */ void LCD_display(char row,char column, char display[]) { char *str; uint16_t address; str=display; address=0x0080+0x0040*(row-1)+(column-1); LCD_CMD(address); vTaskDelay(10); while(*str!=0){ LCD_DATA(*str++); vTaskDelay(5); } str=display; } ------------------------------------ Q & A ================ **1.潤年是否可調整？** Ans: 可以, RTC提供了自動調整潤年的功能。 參考手冊 p.536.( Compensations for 28-, 29- (leap year), 30-, and 31-day months are performed automatically.) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- **2.為什麼要存在shadow register?** Ans: - 有些暫存器是兩層的,第一層是給CPU存取,第二層是給硬體存取,像是我們使用的calendar register 與shadow register 其實它們兩個就是上下層的關係,不過是屬於同一個暫存器。CPU在寫入暫存器時,會先寫入在上層的calendar register,隨後硬體更新之後才會在下層提供shadow register,而shadow register 可以直接對硬體存取 。 - 當我們讀取calendar register時, APB1的clock頻率必須等於或大於RTC的clock頻率才行, **存在shadow register是為了可以確保同步機制的安全**, 如果APB1 clock頻率小於RTC clock頻率的話,CPU可能會讀到兩次的時間與日期。所以在初始化時,必須採用shadow register,才不會造成同步上的問題。 參考手冊 p.542. -------------------------------------- **3.下數(down counter)如何實現？** Ans: - 計數器由正反器構成，可以記錄狀態的變遷，或可說是正反器隨時脈的變化次數做故定狀態的循環。 - 要變成**下數計時器**只要在負緣觸發改成正緣觸發即可, 等於**時脈輸入端加了反閘**。 ------------------------------------------------------------------------- 補充： **上數計時器** .. image:: /jkup.png **下數計時器** .. image:: /jkdown.png ---------------------------------------------- **4.Backup domain 為什麼從1.65V轉成1.2V？** Ans: --------------------------------------------- Reference ================ `RTC application note`_ `STM32F405xx/07xx, STM32F415xx/17xx, STM32F42xxx and STM32F43xxx Reference Manual `_ `STM32F407 Datasheet `_ `LCD introduction (選左邊清單的"LCD控制")`_