GD32开发实战指南(基础篇) 第16章 RTC

开发环境：

MDK：Keil 5.30

开发板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 RTC工作原理

1.1 RTC简介

GD32 的 RTC 外设，实质是一个掉电后还继续运行的定时器。从定时器的角度来说，相对于通用定时器 TIMER 外设，它十分简单，只有很纯粹的计时功能(当然，可以触发中断)；但从掉电还继续运行的角度来说，它却是 GD32中唯一一个具有如此强大功能的外设。所以 RTC 外设的复杂之处并不在于它的定时功能，而在于它掉电还继续运行的特性。

以上所说的掉电， 是指主电源 VDD断开的情况，为了 RTC 外设掉电继续运行，必须给GD32芯片通过 VBAT引脚接上锂电池 。当主电源 VDD有效时，由 VDD给 RTC 外设供电。当 VDD掉电后，由 VBAT给 RTC 外设供电。但无论由什么电源供电，RTC 中的数据都保存在属于 RTC 的备份域中， 若主电源 VDD和 VBAT都掉电，那么备份域中保存的所有数据将丢失 。备份域除了 RTC 模块的寄存器，还有 42 个 16 位的寄存器可以在 VDD掉电的情况下保存用户程序的数据，系统复位或电源复位时，这些数据也不会被复位。

从 RTC 的定时器特性来说， 它是一个 32 位的计数器，只能向上计数 。它使用的时钟源有三种，分别为高速外部时钟的 128 分频：HXTAL/128；低速内部时钟IRC40K；使 HXTAL分频时钟或IRC40K的话，在主电源 VDD掉电的情况下，这两个时钟来源都会受到影响，因此没法保证 RTC 正常工作。因此 RTC 一般使用低速外部时钟LXTAL，频率为实时时钟模块中常用的 32.768KHz，这是因为 32768 = 215，分频容易实现，所以它被广泛应用到 RTC 模块。在主电源 VDD有效的情况下(待机)，RTC 还可以配置闹钟事件使 GD32退出待机模式。

RTC模块在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。RTC模块和时钟配置系统处于后备区域，即在系统复位或从待机模式唤醒后，RTC的设置和时间维持不变。

1.2主要特性

• 可编程的预分频系数：分频系数最高为2^20
• 32位的可编程计数器，可用于较长时间段的测量。
• 2个分离的时钟：用于APB1接口的PCLK1和RTC时钟(RTC时钟的频率必须小于PCLK1时钟频率的四分之一以上)。
• 可以选择以下三种RTC的时钟源：

A) HXTAL 时钟除以 128

B) LXTAL 振荡电路时钟

C) IRC40K 振荡电路时钟

• 2个独立的复位类型：

A) APB1接口由系统复位；

B) RTC核心(预分频器、闹钟、计数器和分频只能由后备域复位

• 3个专门的可屏蔽中断：

A) 闹钟中断，用来产生一个软件可编程的闹钟中断。

B) 秒中断，用来产生一个可编程的周期性中断信号 (最长可达1秒)。

C) 溢出中断，指示内部可编程计数器溢出并回转为的状态。

1.3 RTC架构

RTC的架构如下图所示。

RTC 由两个主要部分组成， 第一部分(APB1 接口)用来和 APB1 总线相连。此单元还包含一组 16 位寄存器，可通过 APB1 总线对其进行读写操作。 APB1 接口由 APB1 总线时钟驱动，用来与 APB1 总线连接。

另一部分(RTC 核心)由一组可编程计数器组成，RTC内核包含两个主要模块。一个是RTC预分频模块，用来产生RTC时间基准时钟SC_CLK。RTC预分频模块包含一个20位可编程分频器（RTC预分频器） ,该分频器可以通过对RTC时钟源分频产生SC_CLK。如果对RTC_INTEN寄存器中的秒中断标志位被使能， RTC会在每个SC_CLK上升沿产生一个秒中断。 另外一个模块是一个32 位可编程计数器，其数值可以被初始化为当前系统时间。如果对RTC_INTEN 寄存器的闹钟中断标志位被使能， RTC会在系统时间等于闹钟时间（存储于RTC_ALRMH/L 寄存器）时产生一个闹钟中断。

2 RTC寄存器分析

2.1 RTC寄存器描述

RTC 总共有 2 个控制寄存器RTC_INTEN和 RTC_CTL。

RTC_INTEN寄存器用来控制中断的，我们本章将要用到秒钟中断，所以在该寄存器必须设置最低位为 1，以允许秒钟中断。

RTC_CTL的第 0 位是秒钟标志位，我们在进入闹钟中断的时候，通过判断这位来决定是不是发生了秒钟中断。然后必须通过软件将该位清零（写0）。第 3 位为寄存器同步标志位，我们在修改控制寄存器之前，必须先判断该位，是否已经同步了，如果没有则等待同步，在没同步的情况下修改RTC_INTEN/RTC_CTL的值是不行的。第4位为配置标位，在软件修改 RTC_CNTx/RTC_ALRMx/RTC_PSCx的值的时候，必须先软件置位该位，以允许进入配置模式。第 5 位为 RTC 操作位，该位由硬件操作，软件只读。通过该位可以判断上次对 RTC 寄存器的操作是否完成，如果没有，我们必须等待上一次操作结束才能开始下一次操作。

【注意】

• 任何标志位都将保持挂起状态，直到适当的RTC_CTL请求位被软件复位，表示所请求的中断已经被接受。
• 在复位时禁止所有中断，无挂起的中断请求，可以对RTC寄存器进行写操作。
• 当APB1时钟不运行时，SCIF、ALRMIF、OVIF和RSYNF位不被更新。
• SCIF、ALRMIF、OVIF和RSYNF位只能由硬件置位，由软件来清零。
• 若ALRMIF =1且ALRMIE =1，则允许产生RTC全局中断。如果在EXTI控制器中允许产生EXTI线 17中断，则允许产生RTC全局中断和RTC闹钟中断。
• 若ALRMIF =1，如果在EXTI控制器中设置了EXTI线 17的中断模式，则允许产生RTC闹钟中断；如果在EXTI控制器中设置了EXTI线 17的事件模式，则这条线上会产生一个脉冲(不会产生RTC闹钟中断)。

RTC 预分频装载寄存器，也有 2 个寄存器组成，RTC_PSCH和RTC_PSCL。这两个寄存器用来配置 RTC 时钟的分频数的，比如我们使用外部 32.768K 的晶振作为时钟的输入频率，那么我们要设置这两个寄存器的值为 32767，以得到一秒钟的计数频率。RTC_PSCH的各位描述如下图所示。

从上图可以看出，RTC_PSCH只有低四位有效，用来存储PSC的 19~16 位。而PSC的前 16 位，存放在RTC_PSCL里面，寄存器RTC_PSCL的各位描述如下图所示。

【注】如果输入时钟频率是32.768kHz(RTCCLK)，这个寄存器中写入7FFFh可获得周期为1秒钟的信号。

RTC 预分频器寄存器也有 2 个寄存器组成 RTC_DIVH 和 RTC_DIVL，这两个寄存器的作用就是用来获得比秒钟更为准确的时钟，比如可以得到 0.1 秒，或者 0.01 秒等。该寄存器的值自减的，用于保存还需要多少时钟周期获得一个秒信号。在一次秒钟更新后，由硬件重新装载。这两个寄存器和 RTC 预分频装载寄存器的各位是一样的，这里我们就不列出来了。

接着要介绍的是 RTC 最重要的寄存器， RTC 计数器寄存器 RTC_CNT。该寄存器由 2 个 16位的寄存器组成 RTC_CNTH 和 RTC_CNTL，总共 32 位，用来记录秒钟值（一般情况下）。此两个计数器也比较简单，我们也不多说了。注意一点，在修改这个寄存器的时候要先进入配置模式。

最后我们介绍 RTC 部分的最后一个寄存器， RTC 闹钟寄存器，该寄存器也是由 2 个 16 为的寄存器组成 RTC_ALRH 和 RTC_ALRL。总共也是 32 位，用来标记闹钟产生的时间（以秒为单位），如果 RTC_CNT 的值与 RTC_ALR 的值相等，并使能了中断的话，会产生一个闹钟中断。该寄存器的修改也要进入配置模式才能进行。

因为我们使用到备份寄存器来存储 RTC 的相关信息（我们这里主要用来标记时钟是否已经经过了配置）。

2.2 读RTC寄存器

RTC完全独立于RTC APB1接口。

软件通过APB1接口访问RTC的预分频值、计数器值和闹钟值。但是，相关的可读寄存器只在与RTC APB1时钟进行重新同步的RTC时钟的上升沿被更新。RTC标志也是如此的。

这意味着，如果APB1接口曾经被关闭，而读操作又是在刚刚重新开启APB1之后，则在第一次的内部寄存器更新之前，从APB1上读出的RTC寄存器数值可能被破坏了(通常读到0) 。下述几种情况下能够发生这种情形：

• 发生系统复位或电源复位
• 系统刚从待机模式唤醒
• 系统刚从停机模式唤醒

所有以上情况中，APB1接口被禁止时(复位、无时钟或断电)RTC核仍保持运行状态。

因此，若在读取RTC寄存器时，RTC 的APB1 接口曾经处于禁止状态，则软件首先必须等待RTC_CTL寄存器中的RSYNF位(寄存器同步标志)被硬件置’1’。

2.3 配置RTC寄存器

必须设置RTC_CTL寄存器中的CMF位，使 RTC进入配置模式后，才能写入 RTC_PSC、RTC_CNT、RTC_ALRM寄存器。

另外，对RTC任何寄存器的写操作，都必须在前一次写操作结束后进行。可以通过查询RTC_CTL寄存器中的LWOFF状态位，判断RTC寄存器是否处于更新中。仅当LWOFF状态位是’1’时，才可以写入RTC寄存器。

配置过程：

1.查询LWOFF位，直到LWOFF的值变为’1’

2.置CMF值为1，进入配置模式

3.对一个或多个RTC寄存器进行写操作

4.清除CMF标志位，退出配置模式

5.查询LWOFF，直至LWOFF位变为’1’ 以确认写操作已经完成。

6.仅当CMF标志位被清除时，写操作才能进行，这个过程至少需要3个RTCCLK周期。

3 RTC具体代码实现

RTC 正常工作的一般配置步骤如下：

1）使能电源时钟和备份区域时钟。

前面已经介绍了，我们要访问 RTC 和备份区域就必须先使能电源时钟和备份区域时钟。

rcu_periph_clock_enable(RCU_BKPI);
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);

2）取消备份区写保护。

要向备份区域写入数据，就要先取消备份区域写保护（写保护在每次硬复位之后被使能），否则是无法向备份区域写入数据的。我们需要用到向备份区域写入一个字节，来标记时钟已经配置过了，这样避免每次复位之后重新配置时钟。 取消备份区域写保护的库函数实现方法是：

pmu_backup_write_enable(); //使能 RTC 和后备寄存器访问

3）复位备份区域，开启外部低速振荡器。

在取消备份区域写保护之后，我们可以先对这个区域复位，以清除前面的设置，当然这个操作不要每次都执行，因为备份区域的复位将导致之前存在的数据丢失，所以要不要复位，要看情况而定。然后我们使能外部低速振荡器，注意这里一般要先判断 RCC_BDCR 的 LSERDY位来确定低速振荡器已经就绪了才开始下面的操作。

备份区域复位的函数是：

开启外部低速振荡器的函数是：

rcu_osci_on(RCU_LXTAL);// 开启外部低速振荡器

4）选择 RTC 时钟，并使能。

库函数中，选择 RTC 时钟的函数是：

rcu_rtc_clock_config(RCU_RTCSRC_LXTAL); //选择LXTAL作为 RTC 时钟

对于 RTC 时钟的选择使能 RTC 时钟的函数是：

rcu_periph_clock_enable(RCU_RTC); //使能 RTC 时钟

5）设置 RTC 的分频，以及配置 RTC 时钟。

在开启了 RTC 时钟之后，我们要做的就是设置 RTC 时钟的分频数，通过 RTC_PSCH 和RTC_PSCL 来设置，然后等待 RTC 寄存器操作完成，并同步之后，设置秒钟中断。然后设置RTC 的允许配置位（ RTC_CTL的 CMF 位），设置时间（其实就是设置 RTC_CNTH 和 RTC_CNTL两个寄存器）。

下面我们一一这些步骤用到的库函数：

在进行 RTC 配置之前首先要打开允许配置位(CMF)，库函数是：

rtc_configuration_mode_enter ();/// 允许配置

在配置完成之后，千万别忘记更新配置同时退出配置模式，函数是：

rtc_configuration_mode_exit ();//退出配置模式，更新配置

设置 RTC 时钟分频数， 库函数是：

void rtc_prescaler_set(uint32_t psc)

这个函数只有一个入口参数，就是 RTC 时钟的分频数，很好理解。

然后是设置秒中断允许，RTC 使能中断的函数是：

void rtc_interrupt_enable(uint32_t interrupt)

这个函数的第一个参数是设置秒中断类型，这些通过宏定义定义的。 对于使能秒中断方法是：

rtc_interrupt_enable(RTC_INT_SECOND); //使能 RTC 秒中断

下一步便是设置时间了，设置时间实际上就是设置 RTC 的计数值，时间与计数值之间是需要换算的，当然也可先不设置。库函数中设置 RTC 计数值的方法是：

void rtc_counter_set(uint32_t cnt)

通过这个函数直接设置 RTC 计数值。

6）更新配置，设置 RTC 中断分组。

在设置完时钟之后，我们将配置更新同时退出配置模式，这里还是通过 RTC_CTL的CMF来实现。库函数的方法是：

rtc_configuration_mode_exit ();//退出配置模式，更新配置

在退出配置模式更新配置之后我们在备份区域 BKP_DATA0中写入 0xA5A5代表我们已经初始化过时钟了，下次开机（或复位）的时候，先读取 BKP_DATA0的值，然后判断是否是 0xA5A5来决定是不是要配置。接着我们配置 RTC 的秒钟中断，并进行分组。

往备份区域写用户数据的函数是：

void bkp_data_write(bkp_data_register_enum register_number, uint16_t data)

这个函数的第一个参数就是寄存器的标号了，这个是通过宏定义定义的。 比如我们要往BKP_DATA0 写入 0xA5A5，方法是：

bkp_data_write(BKP_DATA_0, 0xA5A5);

同时，有写便有读，读取备份区域指定寄存器的用户数据的函数是：

uint16_t bkp_data_read(bkp_data_register_enum register_number)

这个函数就很好理解了，这里不做过多讲解。

设置中断分组的方法之前已经详细讲解过，这里不做重复讲解。

7）编写中断服务函数。

最后，我们要编写中断服务函数，在秒钟中断产生的时候，读取当前的时间值。

/**
  * @brief  This function handles RTC exception.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void RTC_IRQHandler(void)
{
   if(rtc_flag_get(RTC_FLAG_SECOND)!=RESET)//读取中断标志
   {
        rtc_flag_clear(RTC_FLAG_SECOND);//清楚中断标志
        tim_bz=1;//秒中断标志
   }
}

完成的配如下：

/**
  * @brief  RTC配置
  * @param  None
  * @retval None
  */
void rtc_configuration(void)
{
    /* enable PMU and BKPI clocks 使能电源时钟和备份区域时钟*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_BKPI);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);

    /* allow access to BKP domain 允许访问BKP区域*/
    pmu_backup_write_enable();

    //复位备份区域，开启外部低速振荡器
    /* reset backup domain */
    bkp_deinit();

    /* enable LXTAL 使能外部低速晶振 32.768K */
    rcu_osci_on(RCU_LXTAL);
    /* wait till LXTAL is ready */
    rcu_osci_stab_wait(RCU_LXTAL);

    //选择 RTC 时钟，并使能
    /* select RCU_LXTAL as RTC clock source */
    rcu_rtc_clock_config(RCU_RTCSRC_LXTAL);

    /* enable RTC Clock 使能RTC时钟	 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_RTC);

    rtc_configuration_mode_enter();

    /* wait for RTC registers synchronization */
    rtc_register_sync_wait();

    /* wait until last write operation on RTC registers has finished 等待写RTC寄存器完成*/
    rtc_lwoff_wait();

    /* enable the RTC second interrupt 使能RTC秒中断*/
    rtc_interrupt_enable(RTC_INT_SECOND);

    /* wait until last write operation on RTC registers has finished 等待写RTC寄存器完成*/
    rtc_lwoff_wait();

    /* set RTC prescaler: set RTC period to 1s 设置预分频*/
    rtc_prescaler_set(32767);

    /* wait until last write operation on RTC registers has finished 等待写RTC寄存器完成*/
    rtc_lwoff_wait();

    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3);
    nvic_irq_enable(RTC_IRQn, 1, 0);
}

/**
  * @brief  RTC时钟初始化
  * @param  None
  * @retval None
  */
void clock_init(void)
{
    if(0xA5A5 != bkp_data_read(BKP_DATA_0))
    {
        //第一次运行  初始化设置
        rtc_configuration();//RTC初始化
        /* wait until last write operation on RTC registers has finished */
        rtc_lwoff_wait();
        /* change the current time */
        rtc_counter_set(0);
        /* wait until last write operation on RTC registers has finished */
        rtc_lwoff_wait();
        rtc_lwoff_wait();//等待写RTC寄存器完成	  
        rtc_lwoff_wait();//等待写RTC寄存器完成
        bkp_data_write(BKP_DATA_0, 0xA5A5);//写配置标志
    }
    else
    {
        /* check if the power on reset flag is set */
        if(rcu_flag_get(RCU_FLAG_PORRST) != RESET)
        {
            printf("\\r\\n\\n Power On Reset occurred....");
        }
        else if(rcu_flag_get(RCU_FLAG_SWRST) != RESET)
        {
            /* check if the pin reset flag is set */
            printf("\\r\\n\\n External Reset occurred....");
        }
        printf("\\r\\n No need to configure RTC....");
        rtc_register_sync_wait();//等待RTC寄存器同步
        rtc_interrupt_enable(RTC_INT_SECOND);//使能RTC秒中断
        rtc_lwoff_wait();//等待写RTC寄存器完成
    }
    rtc_configuration_mode_exit();//退出配置模式， 更新配置
    rcu_all_reset_flag_clear();//清除复位标志；
}

主函数代码如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    uint32_t TimeData=0,hh=0,mm=0,ss=0;

    //usart init 115200 8-N-1
    com_init(COM1, 115200, 0, 1);

    rtc_configuration();
    clock_init();

    while(1)
    {
        if(tim_bz==1)
        {
            tim_bz=0;
            TimeData=rtc_counter_get();
            hh=	TimeData/3600;
            mm = (TimeData%3600)/60;
            ss = TimeData%60;
            printf("Time: %0.2d:%0.2d:%0.2d\\r\\n",hh,mm,ss);  
        }
    }
}

4 实验现象

打开串口助手，打印信息如下：

这里没有设置初始时间，时分秒是从0开始的。

审核编辑 黄宇