15. Real-Time Clock (RTC)

Goal

STM32F439ZI의 RTC peripheral을 LSI clock으로 동작시키고, 현재 시간과 날짜를 UART로 출력한다.

이번 실습:

LSI
 ↓
RTC Clock
 ↓
Prescaler
 ↓
1 Hz Calendar Clock
 ↓
RTC Time / Date
 ↓
UART
 ↓
PC Terminal

실제 board에서 다음까지 확인했다.

Time count     : PASS
1-second tick  : PASS
Date rollover  : PASS

09-19
  ↓
09-20

1. RTC vs General-Purpose Timer

Ch09 TIM2:

System / Peripheral Clock
        ↓
Timer Counter
        ↓
Periodic Event

RTC:

Low-Speed Clock
      ↓
Backup Domain
      ↓
Calendar Hardware
      ↓
Second / Minute / Hour
Day / Month / Year

RTC는 단순 counter가 아니라 시간과 날짜를 관리하는 calendar peripheral이다.

2. Backup Domain

RTC는 일반 peripheral과 달리 Backup Domain에 존재한다.

따라서 바로 register를 수정할 수 없다.

먼저:

PWR Clock Enable
       ↓
DBP = 1
       ↓
Backup Domain Write Access

순서가 필요하다.

핵심:

RCC->APB1ENR |= PWREN;
PWR->CR |= CR_DBP;

3. RTC Clock Source

RTC는 여러 clock source를 사용할 수 있다.

LSE
→ External 32.768 kHz crystal

LSI
→ Internal low-speed RC oscillator

HSE
→ External high-speed clock division

이번 실습에서는:

LSI

를 사용한다.

장점:

External crystal 불필요
배선 불필요
간단한 실습에 적합

단점:

LSE보다 정확도가 낮음

즉 실제 정밀 RTC application에서는 보통 LSE가 더 적합하다.

4. RTC Clock Flow

이번 실습의 설정:

LSI ≈ 32 kHz
    ↓
Asynchronous Prescaler
    ↓
Synchronous Prescaler
    ↓
≈ 1 Hz
    ↓
Calendar

사용값:

RTC_ASYNCH_PREDIV = 0x7F
                   = 127
                   → divide by 128

RTC_SYNCH_PREDIV  = 0x00F9
                   = 249
                   → divide by 250

따라서:

128 × 250
=
32000

LSI가 약 32kHz라는 가정에 맞춘 설정이다.

5. Important Registers

Register	역할
RTC->TR	Hour / Minute / Second
RTC->DR	Year / Month / Day / Weekday
RTC->CR	RTC control / format
RTC->ISR	Initialization / synchronization status
RTC->PRER	Async / Sync prescaler
RTC->WPR	Write protection
RCC->CSR	LSI enable / ready
RCC->BDCR	RTC clock select / RTC enable
PWR->CR	Backup domain write access

6. BCD

RTC의 시간과 날짜는 일반 binary integer가 아니라 BCD 형태로 저장된다.

예:

Decimal 59

일반 binary:

0x3B

BCD:

0x59

BCD에서는 각 decimal digit을 4bit씩 저장한다.

5 → 0101
9 → 1001

59
→ 0101 1001
→ 0x59

따라서 RTC register에:

0x59

가 보이면 실제 값:

로 읽을 수 있다.

7. BCD to Decimal

원본 실습 코드:

uint8_t rtc_convert_bcd2dec(uint8_t value)
{
    return (uint8_t)(((value >> 4U) * 10U)
                     + (value & 0x0FU));
}

예:

value = 0x59

상위 nibble:

0x5 × 10
=
50

하위 nibble:

0x9
=
9

결과:

50 + 9
=
59

8. RTC Write Protection

RTC 주요 register는 실수로 변경되는 것을 방지하기 위해 write protection이 걸려 있다.

Unlock sequence:

RTC->WPR = 0xCA;
RTC->WPR = 0x53;

순서가 중요하다.

0xCA
 ↓
0x53
 ↓
RTC Write Protection Disabled

설정이 끝난 후:

RTC->WPR = 0xFF;

로 write protection을 다시 활성화한다.

9. Practice Code Status

현재 Notion에 전체가 명확히 남아 있는 핵심:

rtc_init()
rtc_convert_bcd2dec()
main()

다음 helper는 호출 구조와 역할은 남아 있지만 전체 함수 본문은 현재 기록에 보존되어 있지 않다.

rtc_init_seq()
exit_init_seq()

rtc_date_config()
rtc_time_config()

rtc_set_asynch_prescaler()
rtc_set_synch_prescaler()

display_rtc_calendar()

따라서 없는 원본 코드를 임의로 만들어 넣지는 않는다.

10. `rtc.h`

#ifndef RTC_H__
#define RTC_H__

#include <stdint.h>
#include "stm32f4xx.h"

/*
 * Initialize RTC using the LSI clock.
 */
void rtc_init(void);


/*
 * Convert one BCD encoded value
 * into normal decimal integer form.
 *
 * Example:
 *
 *     0x59 → 59
 */
uint8_t rtc_convert_bcd2dec(uint8_t value);


/*
 * Read RTC time/date registers and
 * print current calendar data through UART.
 *
 * Full archived implementation body
 * is not currently available.
 */
void display_rtc_calendar(void);

#endif

11. RTC Definitions

#include "rtc.h"

/*
 * ============================================================
 * RCC / PWR Control Bits
 * ============================================================
 */

/*
 * APB1 PWR peripheral clock enable.
 */
#define PWREN               (1U << 28)


/*
 * PWR CR DBP:
 *
 * Enable write access to Backup Domain.
 */
#define CR_DBP              (1U << 8)


/*
 * RCC CSR LSION:
 *
 * Enable internal low-speed oscillator.
 */
#define CSR_LSION           (1U << 0)


/*
 * RCC CSR LSIRDY:
 *
 * Indicates LSI oscillator is stable.
 */
#define CSR_LSIRDY          (1U << 1)


/*
 * Backup Domain Reset.
 */
#define BDCR_BDRST          (1U << 16)


/*
 * RTC Enable.
 */
#define BDCR_RTCEN          (1U << 15)


/*
 * ============================================================
 * RTC Write Protection
 * ============================================================
 */

#define RTC_WRITE_PROTECTION_KEY_1   0xCAU
#define RTC_WRITE_PROTECTION_KEY_2   0x53U


/*
 * ============================================================
 * Prescaler
 * ============================================================
 */

#define RTC_ASYNCH_PREDIV   0x7FU
#define RTC_SYNCH_PREDIV    0x00F9U

12. `rtc_init()`

void rtc_init(void)
{
    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 1. Enable PWR Peripheral Clock
     * --------------------------------------------------------
     *
     * RTC belongs to the Backup Domain.
     *
     * Backup-domain write permission is controlled
     * through the PWR peripheral.
     */
    RCC->APB1ENR |= PWREN;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 2. Enable Backup Domain Write Access
     * --------------------------------------------------------
     *
     * DBP = Disable Backup-domain Protection.
     *
     * DBP = 1
     *
     * allows RTC / backup domain registers
     * to be modified.
     */
    PWR->CR |= CR_DBP;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 3. Enable LSI
     * --------------------------------------------------------
     *
     * LSI:
     *
     *     Low-Speed Internal RC oscillator
     *
     * Used as the RTC source in this project.
     */
    RCC->CSR |= CSR_LSION;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 4. Wait Until LSI Is Stable
     * --------------------------------------------------------
     *
     * LSIRDY = 1
     *
     * means the LSI oscillator is ready.
     *
     * RTC clock should not be configured until
     * the selected source clock is stable.
     */
    while ((RCC->CSR & CSR_LSIRDY) != CSR_LSIRDY)
    {
    }


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 5. Reset Backup Domain
     * --------------------------------------------------------
     *
     * BDRST = 1
     *
     * resets RTC / backup-domain configuration.
     */
    RCC->BDCR |= BDCR_BDRST;


    /*
     * Release reset.
     */
    RCC->BDCR &= ~BDCR_BDRST;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 6. Select LSI as RTC Clock
     * --------------------------------------------------------
     *
     * RTCSEL field is configured to:
     *
     *     10b
     *
     * for LSI.
     *
     * Existing code performs this by:
     *
     * bit8 = 0
     * bit9 = 1
     */
    RCC->BDCR &= ~(1U << 8);
    RCC->BDCR |=  (1U << 9);


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 7. Enable RTC
     * --------------------------------------------------------
     */
    RCC->BDCR |= BDCR_RTCEN;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 8. Disable RTC Write Protection
     * --------------------------------------------------------
     *
     * Hardware-defined unlock sequence:
     *
     *     0xCA
     *       ↓
     *     0x53
     */
    RTC->WPR = RTC_WRITE_PROTECTION_KEY_1;
    RTC->WPR = RTC_WRITE_PROTECTION_KEY_2;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 9. Enter RTC Initialization Mode
     * --------------------------------------------------------
     *
     * RTC calendar registers must be configured
     * while the RTC is in initialization mode.
     *
     * Full helper body is not preserved
     * in the current archive.
     */
    rtc_init_seq();


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 10. Configure Date
     * --------------------------------------------------------
     *
     * Existing practice value:
     *
     *     Weekday : Friday
     *     Date    : 19
     *     Month   : 09
     *     Year    : 26
     *
     * Values are BCD encoded.
     */
    rtc_date_config(
        WEEKDAY_FRIDAY,
        0x19,
        0x09,
        0x26
    );


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 11. Configure Time
     * --------------------------------------------------------
     *
     * Existing practice:
     *
     *     11:59:55 PM
     *
     * Starting close to midnight allows
     * date rollover to be tested quickly.
     */
    rtc_time_config(
        TIME_FORMAT_PM,
        0x11,
        0x59,
        0x55
    );


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 12. RTC Time Format
     * --------------------------------------------------------
     *
     * IMPORTANT:
     *
     * The archived Notion source contains:
     *
     *     RTC->CR |= CR_FMT;
     *
     * together with the comment "24-hour format".
     *
     * However the same source calls:
     *
     *     TIME_FORMAT_PM
     *
     * so the archived notes are internally inconsistent
     * regarding 12-hour / 24-hour format.
     *
     * Keep this as a re-test item and verify CR.FMT
     * against the STM32F439 RTC Reference Manual
     * before finalizing the driver.
     */
    RTC->CR |= CR_FMT;


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 13. Configure Asynchronous Prescaler
     * --------------------------------------------------------
     *
     * 0x7F = 127
     *
     * Actual division:
     *
     *     127 + 1
     *     = 128
     */
    rtc_set_asynch_prescaler(
        RTC_ASYNCH_PREDIV
    );


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 14. Configure Synchronous Prescaler
     * --------------------------------------------------------
     *
     * 0xF9 = 249
     *
     * Actual division:
     *
     *     249 + 1
     *     = 250
     */
    rtc_set_synch_prescaler(
        RTC_SYNCH_PREDIV
    );


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 15. Exit Initialization Mode
     * --------------------------------------------------------
     *
     * Calendar counting starts/resumes.
     *
     * Helper also waits for register synchronization
     * in the original experiment flow.
     */
    exit_init_seq();


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 16. Re-enable RTC Write Protection
     * --------------------------------------------------------
     */
    RTC->WPR = 0xFF;
}

13. Why Start at `11:59:55 PM`?

이 값은 임의로 고른 것이 아니라 날짜 rollover를 빠르게 검증하기 위해 유리한 test condition이다.

11:59:55 PM
 ↓
11:59:56
 ↓
11:59:57
 ↓
11:59:58
 ↓
11:59:59
 ↓
12:00:00

동시에 날짜:

09-19
  ↓
09-20

이 되는지 확인할 수 있다.

즉 단순히 RTC가 증가하는 것뿐 아니라:

Second rollover
Minute rollover
Hour rollover
Date rollover

를 한 번에 검증할 수 있다.

14. Initialization Mode

RTC는 계속 시간을 count하고 있기 때문에 calendar register를 동작 중에 아무 때나 수정하면 안 된다.

설정 과정:

Normal RTC Operation
        ↓
Enter Init Mode
        ↓
Calendar Counter Paused
        ↓
Configure
TR / DR / PRER / CR
        ↓
Exit Init Mode
        ↓
RTC Counting Starts

이 과정을 helper:

rtc_init_seq()
exit_init_seq()

가 담당한다.

15. Why Wait for Flags?

Bare-metal peripheral initialization에서는:

Write configuration

만 하고 바로 다음 단계로 넘어가면 안 되는 경우가 많다.

예:

RCC->CSR |= CSR_LSION;

while ((RCC->CSR & CSR_LSIRDY)
       != CSR_LSIRDY)
{
}

이는:

LSI Enable
   ↓
Oscillator starting...
   ↓
Not Ready
   ↓
Not Ready
   ↓
LSIRDY = 1
   ↓
Continue

라는 hardware synchronization 과정이다.

이 패턴은 이후에도 반복된다.

Enable
 ↓
Wait Ready Flag
 ↓
Configure Next Stage

16. `rtc_convert_bcd2dec()`

uint8_t rtc_convert_bcd2dec(uint8_t value)
{
    /*
     * Upper nibble contains the tens digit.
     *
     * Example:
     *
     *     0x59 >> 4
     *     =
     *     0x05
     *
     *     5 × 10
     *     =
     *     50
     */
    uint8_t tens =
        (uint8_t)((value >> 4U) * 10U);


    /*
     * Lower nibble contains the ones digit.
     *
     *     0x59 & 0x0F
     *     =
     *     9
     */
    uint8_t ones =
        (uint8_t)(value & 0x0FU);


    /*
     * 50 + 9 = 59
     */
    return (uint8_t)(tens + ones);
}

원본의 한 줄 형태:

return (uint8_t)(((value >> 4U) * 10U)
                 + (value & 0x0FU));

과 동일한 동작이다.

17. `main.c`

#include "rtc.h"
#include "uart.h"
#include "systick.h"

int main(void)
{
    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 1. Initialize UART
     * --------------------------------------------------------
     *
     * Current RTC date/time is printed
     * through USART3.
     */
    uart_init();


    /*
     * --------------------------------------------------------
     * Step 2. Initialize RTC
     * --------------------------------------------------------
     *
     * RTC setup:
     *
     *     Clock Source → LSI
     *     Prescaler
     *     Date
     *     Time
     */
    rtc_init();


    while (1)
    {
        /*
         * ----------------------------------------------------
         * Step 3. Read and Display RTC Calendar
         * ----------------------------------------------------
         *
         * Expected information:
         *
         *     Hour
         *     Minute
         *     Second
         *     Month
         *     Day
         *     Year
         *
         * The complete archived implementation of
         * display_rtc_calendar() is not currently
         * preserved in the source notes.
         */
        display_rtc_calendar();


        /*
         * ----------------------------------------------------
         * Step 4. Print Approximately Once Per Second
         * ----------------------------------------------------
         *
         * SysTick driver from Ch08 is reused.
         */
        systick_msec_delay(1000);
    }
}

18. Complete RTC Initialization Flow

rtc_init()
   │
   ├── PWR Clock Enable
   │
   ├── DBP = 1
   │
   ├── LSI Enable
   │
   ├── Wait LSIRDY
   │
   ├── Backup Domain Reset
   │
   ├── RTCSEL = LSI
   │
   ├── RTC Enable
   │
   ├── WPR Unlock
   │
   ├── Enter Init Mode
   │
   ├── Date Configure
   │
   ├── Time Configure
   │
   ├── Prescaler Configure
   │
   ├── Exit Init Mode
   │
   └── WPR Lock

19. Runtime Flow

LSI
 ↓
RTC Prescaler
 ↓
1-second Calendar Tick
 ↓
TR / DR Update
 ↓
display_rtc_calendar()
 ↓
BCD → Decimal
 ↓
UART
 ↓
PC Terminal

20. TR — Time Register

RTC time register stores:

Hours
Minutes
Seconds

개념적으로:

TR
┌────────┬─────────┬─────────┐
│ Hour   │ Minute  │ Second  │
└────────┴─────────┴─────────┘

각 field는 BCD encoded value다.

예:

11:59:55

이면 register field들을 사람이 hex로 봤을 때:

11
59
55

처럼 읽기 쉽다.

21. DR — Date Register

RTC date register에는:

Year
Month
Date
Weekday

정보가 저장된다.

이번 초기값:

Year    = 0x26
Month   = 0x09
Date    = 0x19
Weekday = Friday

자정이 지나면 hardware calendar가 자동으로:

09-19
 ↓
09-20

으로 증가시킨다.

22. Shadow Register Note

RTC register read는 내부 shadow register와 관련된 synchronization이 존재한다.

기존 실습에서 reset 직후 순간적으로:

01-01-2000

처럼 초기값이 표시될 수 있다는 기록이 있었다.

그 후 RTC register synchronization이 끝나면 실제 설정한 calendar 값이 표시됐다.

따라서 reset 직후 한 번의 잘못된 화면만 보고:

RTC initialization failed

라고 바로 판단하면 안 된다.

23. Important Re-Test Item — `CR.FMT`

현재 보존된 실습 코드에는:

rtc_time_config(
    TIME_FORMAT_PM,
    0x11,
    0x59,
    0x55
);

RTC->CR |= CR_FMT;

가 있고, 기존 주석은:

24시간제

라고 되어 있다.

하지만:

TIME_FORMAT_PM

이라는 설정과 같은 코드 안에 존재하므로 12/24-hour format에 대한 기록이 내부적으로 일관되지 않는다.

따라서 재실습 시 반드시:

STM32F439 RTC CR.FMT definition

을 Reference Manual에서 다시 확인하고 최종 코드의:

FMT
AM/PM
Hour encoding

을 일치시킨다.

이 부분은 현재 Wiki에서 “검증 필요” 항목으로 남긴다.

24. Build Result

기존 실습:

Build    : PASS
Download : PASS
Run      : PASS

Program size:

text = 2260 bytes
data = 0 bytes
bss  = 2560 bytes

경고 없이 build 완료.

25. Board Result

실제 terminal에서:

Second
 ↓
Second
 ↓
Second

가 약 1초씩 증가하는 것을 확인했다.

또한:

09-19
11:59:59 PM

이후:

09-20
12:00:00

으로 날짜가 넘어가는 것을 확인했다.

즉:

Second increment PASS
Minute rollover PASS
Hour rollover PASS
Date rollover PASS

로 볼 수 있다.

26. Verification

1. Build

make clean
make

Expected:

text = 2260
data = 0
bss  = 2560

2. LSI

Debugger:

RCC->CSR

확인:

LSION  = 1
LSIRDY = 1

3. Backup Domain

확인:

PWR->CR

Expected:

DBP = 1

initialization 중 backup domain access가 허용되었는지 확인한다.

4. RTC Clock Source

확인:

RCC->BDCR

확인할 항목:

RTCSEL
RTCEN

Expected:

RTC Clock Source = LSI
RTC Enable       = 1

5. Prescaler

확인:

RTC->PRER

Expected:

Asynchronous = 0x7F
Synchronous  = 0x00F9

6. Time Register

Watch:

RTC->TR

초가 증가하는지 확인한다.

7. Date Register

자정 전:

RTC->DR
→ 09-19

자정 후:

RTC->DR
→ 09-20

인지 확인한다.

27. Screenshots to Add

images/ch15_build.png
images/ch15_lsi.png
images/ch15_rtc_registers.png
images/ch15_time_before_midnight.png
images/ch15_time_after_midnight.png
images/ch15_rollover_terminal.png

가장 중요한 evidence:

11:59:59 / 09-19
        ↓
12:00:00 / 09-20

terminal 화면이다.

이 한 장이:

RTC counting
+
Time rollover
+
Calendar rollover

를 동시에 보여준다.

28. Key Points

LSI
 ↓
Backup Domain
 ↓
RTC
 ↓
Prescaler
 ↓
Calendar
 ↓
BCD Time / Date
 ↓
UART

RTC는 일반 timer와 달리 calendar hardware다.
RTC는 Backup Domain에 존재한다.
RTC register를 수정하려면 DBP로 backup domain write access를 허용해야 한다.
이번 실습은 LSI를 RTC clock source로 사용한다.
LSI를 enable한 후 LSIRDY를 기다린다.
RTC register write 전 0xCA → 0x53 key sequence로 write protection을 해제한다.
RTC 설정은 initialization mode에서 수행한다.
TR은 time, DR은 date를 저장한다.
RTC 값은 BCD 형식으로 저장된다.
0x59 BCD는 decimal 59를 의미한다.
Prescaler는 0x7F / 0x00F9 설정을 사용했다.
실제 board에서 1초 증가와 09-19 → 09-20 날짜 rollover를 검증 완료했다.
기존 기록의 CR.FMT와 TIME_FORMAT_PM 조합은 재실습 시 다시 확인해야 한다.

Chapter 15 - Hongjayeong-02/Basic_SoC_implementation GitHub Wiki

15. Real-Time Clock (RTC)

Goal

1. RTC vs General-Purpose Timer

2. Backup Domain

3. RTC Clock Source

4. RTC Clock Flow

5. Important Registers

6. BCD

7. BCD to Decimal

8. RTC Write Protection

9. Practice Code Status

10. `rtc.h`

11. RTC Definitions

12. `rtc_init()`

13. Why Start at `11:59:55 PM`?

14. Initialization Mode

15. Why Wait for Flags?

16. `rtc_convert_bcd2dec()`

17. `main.c`

18. Complete RTC Initialization Flow

19. Runtime Flow

20. TR — Time Register

21. DR — Date Register

22. Shadow Register Note

23. Important Re-Test Item — `CR.FMT`

24. Build Result

25. Board Result

26. Verification

1. Build

2. LSI

3. Backup Domain

4. RTC Clock Source

5. Prescaler

6. Time Register

7. Date Register

27. Screenshots to Add

28. Key Points

⚠️ GitHub.com Fallback ⚠️

Chapter 15 - Hongjayeong-02/Basic_SoC_implementation GitHub Wiki

15. Real-Time Clock (RTC)

Goal

1. RTC vs General-Purpose Timer

2. Backup Domain

3. RTC Clock Source

4. RTC Clock Flow

5. Important Registers

6. BCD

7. BCD to Decimal

8. RTC Write Protection

9. Practice Code Status

10. rtc.h

11. RTC Definitions

12. rtc_init()

13. Why Start at 11:59:55 PM?

14. Initialization Mode

15. Why Wait for Flags?

16. rtc_convert_bcd2dec()

17. main.c

18. Complete RTC Initialization Flow

19. Runtime Flow

20. TR — Time Register

21. DR — Date Register

22. Shadow Register Note

23. Important Re-Test Item — CR.FMT

24. Build Result

25. Board Result

26. Verification

1. Build

2. LSI

3. Backup Domain

4. RTC Clock Source

5. Prescaler

6. Time Register

7. Date Register

27. Screenshots to Add

28. Key Points

⚠️ **GitHub.com Fallback** ⚠️

10. `rtc.h`

12. `rtc_init()`

13. Why Start at `11:59:55 PM`?

16. `rtc_convert_bcd2dec()`

17. `main.c`

23. Important Re-Test Item — `CR.FMT`

⚠️ GitHub.com Fallback ⚠️