1.2.3 ATmega128單片機的系統時鐘

圖1.7所示為ATmega128單片機的系統時鐘構成。在實際工作中，使用這些時鐘的不同選擇和組合來驅動ATmega128工作。

ATmega128單片機的系統時鐘由以下5個部分構成。

● CPU時鐘：clkCPU與ATmega128單片機的內核各個模塊相連接，如通用寄存器、狀態寄存器及保存堆棧指針的數據存儲器，終止CPU時鐘將使內核停止工作。

●I/O時鐘：clkI/O用于驅動主要的I/O模塊，如定時/計數器模塊、SPI總線接口模塊和USART模塊等，I/O時鐘還用于驅動外部中斷模塊。但是，有些外部中斷由異步邏輯檢測，因此即使I/O時鐘停止了，這些中斷仍然可以得到監控。另外，TWI（I2 C）總線接口模塊的啟動檢測在沒有clkI/O的情況下也是使用異步邏輯來檢測的，所以該數據總線模塊在ATmega128單片機的任何睡眠模式下都可以正常工作。

●Flash時鐘：clkFlash用于控制Flash存儲器接口的操作，此時鐘通常與CPU時鐘同時掛起或激活。

● 異步定時器時鐘：clkASY異步定時器時鐘允許定時/計數器由外部32kHz時鐘晶體驅動，使得這些定時/計數器即使在ATmega128的睡眠模式下仍然可以正常工作。

● ADC時鐘：clkADC是ADC模塊的專用時鐘，這樣可以在ADC工作時停止CPU和I/O時鐘，以降低數字電路產生的噪聲，從而提高ADC轉換精度。

1. 時鐘源選擇

ATmega128單片機可以通過對熔絲位的配置來選擇時鐘源，如表1.4所示。

當ATmega128單片機從自掉電模式或省電模式被喚醒后，被選擇的時鐘源用來為啟動過程定時，以保證振蕩器在開始執行指令之前進入穩定狀態。當ATmega128單片機從復位開始工作時，還能提供額外的延遲時間，以保證其開始正常工作之前電源達到穩定電平，這個啟動時間的定時工作由看門狗振蕩器完成。看門狗溢出時間所對應的WDT振蕩器周期數如表1.5所示，其頻率由工作電壓決定。

2. 晶體振蕩器

ATmega128單片機使用晶體振蕩器電路如圖1.8所示。引腳XTAL1與XTAL2分別用作片內振蕩器的反向放大器的輸入和輸出。

晶體振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。

熔絲位CKOPT用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。當CKOPT被編程時，振蕩器在輸出引腳產生滿幅度的振蕩，這種模式適合于噪聲環境，以及需要通過XTAL2驅動第2個時鐘緩沖器的情況，而且這種模式的頻率范圍比較寬。當保持CKOPT為未編程狀態時，振蕩器的輸出信號幅度比較小。其優點是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅動其他時鐘緩沖器。

對于諧振器，CKOPT未編程時的最大頻率為8MHz，CKOPT編程時的最大頻率為16MHz。電容C1 和C2的數值要一樣，不管使用的是石英晶體還是陶瓷諧振器。最佳的數值與使用的石英晶體或陶瓷諧振器有關，還與雜散電容和環境的電磁噪聲有關。

振蕩器可以工作于3種不同的模式，每一種都有一個優化的頻率范圍。工作模式通過熔絲位CKSEL3～CKSEL1來選擇，如表1.6所示。

熔絲位CKSEL0和SUT1～SUT0決定了ATmega128單片機的啟動時間，如表1.7所示。

3. 低頻晶體振蕩器

ATmega128單片機可以使用32.768kHz的鐘表晶體作為器件的時鐘源。此時，必須將熔絲位CKSEL設置為“1001”，以選擇低頻晶體振蕩器，該晶體的連接方式和使用晶體振蕩器相同。通過對熔絲位CKOPT的編程，用戶可以使能XTAL1和XTAL2的內部電容，從而節省外部電容，內部電容容量的標稱值為36pF。使用低頻晶體振蕩器之后，啟動時間由熔絲位SUT確定，如表1.8所示。

4. 外部RC振蕩器

如果ATmega128單片機的應用系統不需要特別精確的定時，則可以使用圖1.9所示的外部RC振蕩器作為時鐘源，其頻率可以通過公式：

進行大略的計算。其中，C至少要22pF。通過對熔絲位CKOPT的編程，用戶可以使能XTAL1和GND之間的片內36pF電容，從而無須外加電容。

RC振蕩器可以工作于4個不同的模式，每個模式有相應的優化頻率范圍，工作模式通過對熔絲位CKSEL3～CKSEL0的編程來決定，如表1.9所示。

RC振蕩器的啟動時間由熔絲位SUT決定，如表1.10所示。

5. 校準片內RC時鐘源

ATmega128單片機有一個經過校準的片內RC振蕩器，可以給ATmega128單片機提供固定的1.0、2.0、4.0或8.0MHz的時鐘頻率（這些頻率都是5 V、25℃下的標稱值）。校準片內時鐘源使用熔絲位CKSEL進行控制，如表1.11所示。當使用這個時鐘（此時不能對CK-OPT進行編程）時，無須外部振蕩器件。當ATmega128單片機復位時，硬件將標定字節加載到OSCCAL寄存器中，自動完成對內部RC振蕩器的標定。在5V、25℃和頻率為1.0MHz時，這種標定可以提供標稱頻率±3%的時鐘精度。在使用這個振蕩器作為系統時鐘時，看門狗仍然使用自己的看門狗定時器作為溢出復位的依據。

當使用RC時鐘源時，ATmega128單片機的啟動時間由熔絲位SUT決定，如表1.12所示。

振蕩器標定寄存器OSCCAL的內部結構如表1.13所示。將標定數據寫入OSCCAL寄存器，可以對內部振蕩器進行調節，以消除由于生產工藝所帶來的振蕩器頻率偏差。復位時，1 MHz的標定數據（標定數據的高字節，地址為0x00）自動加載到OSCCAL寄存器。

如果需要內部RC振蕩器工作于其他頻率，其標定數據必須人工加載。首先通過編程器讀取標定數據，然后將標定數據保存到Flash或E2 PROM之中。這些數據可以通過軟件讀取，然后加載到OSCCAL寄存器。當OSCCAL為零時，振蕩器以最低頻率工作；當對其寫入不為零的數據時，內部振蕩器的頻率將增加，寫入0xFF，即得到最高頻率。標定的振蕩器將用來為訪問E2 PROM和Flash定時。需要注意的是，有寫E2 PROM和Flash的操作時，不要將頻率標定到超過標稱頻率的10%；否則，寫操作有可能失敗，如表1.14所示。

6. 外部時鐘源

ATmega128單片機可以使用外部時鐘源作為芯片驅動。這時，XTAL1引腳必須按圖1.10所示進行連接，同時熔絲位CKSEL必須編程為“0000”。若熔絲位CKOPT也被編程，用戶就可以使用內部的XTAL1和GND之間的36pF電容，此時不需要外加電容。

當選擇了外部時鐘源之后，ATmega128單片機的啟動時間由熔絲位SUT確定，如表1.15所示。為了保證ATmega128單片機能夠穩定工作，不能突然改變外部時鐘源的振蕩頻率。當工作頻率突變超過2%，將會產生異常現象。所以，應該在ATmega128單片機保持復位狀態時，改變外部時鐘的振蕩頻率。晶體可以直接與XTAL1和GND引腳連接，無須外部電容器。此振蕩器針對32.768kHz的鐘表晶體作了優化，不建議在TOSC1引腳輸入振蕩信號。