STM32的时钟配置——时钟树解析

迷南。 2022-12-30 08:25 636阅读 0赞

**此文章由于讲得较详细因此篇幅较长，请带着一点耐心去读，相信会有收获！**

### 目录 ###

*  STM32为什么要有复杂的时钟系统
 *  详解STM32时钟系统
 *   *  STM32有几个时钟源
     *  关于时钟输出
     *  软件配置时钟

# STM32为什么要有复杂的时钟系统 #

首先STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟源即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

# 详解STM32时钟系统 #

下图来自STM32CubeMX工具的时钟配置界面：  
下图即是标准库默认8M外部时钟，系统时钟72M的配置情况  
![在这里插入图片描述][20201225112235702.png_x-oss-process_image_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc4ODU0Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
下图来自STM32F1的中文版datasheet的时钟系统章节：  
STM32的时钟系统确实是很复杂，不仅有倍频，分频，还有一系列的外设时钟开关。倍频是考虑到了电磁兼容性，如果外部直接提供一个72MHz的晶振，太高的震荡频率会给电路板的制作带来一定的难度。分频则是因为STM32既有高速外设，也有低速外设，各外设的工作频率不相同，需要分开来管理。最后，每个外设时钟还有自己独立的开关（在图上可以看到，在外设时钟之前需要经过一个与门，这就是它们的开关）在我们不使用该外设时，需要把时钟关闭以减少STM32的功耗。  
![在这里插入图片描述][20201225153150361.png_x-oss-process_image_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc4ODU0Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## STM32有几个时钟源 ##

STM32有以下4个时钟源（标号对应上图中的蓝色数字标号）:  
①高速外部时钟（HSE）：以外部晶振作时钟源，晶振频率可取范围为4~16MHz，我们一般采用8MHz的晶振。  
②低速外部时钟（LSE）：以外部晶振作时钟源，主要提供给实时时钟模块，所以一般采用32.768KHz。  
③高速内部时钟（HSI）： 由内部RC振荡器产生，频率为8MHz，但不稳定。  
④低速内部时钟（LSI）：由内部RC振荡器产生，也主要提供给实时时钟模块，频率大约为40KHz。

有些资料把PLL也作为一个时钟源，事实上PLL 为锁相环倍频输出，也是由HSI或者HSE倍频得来的，其时钟输入源可选择为 HSI/2、HSE 或者 HSE/2。倍频可选择为2~16 倍，但是其输出频率最大不得超过 72MHz(仅针对STM32F103)

时钟在STM32内部最终是供给四大块，图中用红色椭圆圈出——USB的48MHz时钟、系统时钟SYSCLK、实时时钟模块RTC、独立看门狗的时钟IWDGCLK。其中最主要的，也是最大头是系统时钟SYSCLK，它可以是内部或外部高速时钟直接接过来，也可以内、外部高速时钟是PLL倍频后提供的，系统时钟再分别供给Cortex内核、SDIO、AHB总线、DMA、APB1、APB2等。

我们通常是采用外部8MHz高速时钟（HSE），所以着重说HSE。我们以前面的GPIO上的时钟为例，由ST的Datasheet可知，GPIO是在APB2高速外设总线上的，图中绿色的线就是时钟的流程，我们一步步地来看。

8MHz外部晶体（或晶振）输入后，先经过一个开关PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry），此开关决定对HSE进行2分频再输入到PLL或直接到PLL。我们选择不分频。

这样时钟又到了第二个开关PLLSRC（PLL entry clock source），此开关决定PLL的时钟来源，是内部高速时钟二分频的时钟还是PLLXTPRE的输出。我们选择后者，这时的时钟在进入PLL前还是8MHz，因为在PLLXTPRE我们没有分频。

到了PLL倍频器，由PLLMUL决定倍频系统数，可以选择2~16倍频输出，但记住，PLL输出频率最高72MHz，所以我们选择9倍频，这样PLL输出就是最高72MHz的PLLCLK时钟了。这时的PLLCLK为USB提供时钟。

开关SW来决定SYSCLK的时钟来源，前面已经提到，这里我们由PLLCLK做为SYSCLK的来源，这样系统时钟SYSCLK就是72MHz了。

在供给外设前，先经过AHB预分频，我们选择不分频；在供给GPIO前，还要再经过APB2预分频，因为APB2为高速外设，所以我们选择不分频，这样GPIO的时钟就是72MHz了。注意，低速外设APB1最高频率为36MHz，所以在使用APB1的外设时，要注意设置好分频系统。还要注意，要使用外设，先要对外设时钟进行使能，见图中黄色云形框。这是因为STM32采用了低功耗的设计，对不使用的外设，其时钟不使能，以达到降低功耗的效果。

USB 的时钟USBCLK(图中红色椭圆标出)是来自 PLL 时钟源。 STM32 中有一个全速功能的 USB 模块，其串行接口引擎需要一个频率为 48MHz 的时钟源。该时钟源只能从 PLL 输出端获取，可以选择为 1.5 分频或者 1 分频，也就是，当需要使用 USB模块时，PLL 必须使能，并且时钟频率配置为 48MHz 或 72MHz。

RTC 时钟源RTCCLK(图中红色椭圆标出)，从图上可以看出，RTC 的时钟源可以选择 LSI，LSE，以及HSE 的 128 分频。

独立看门狗时钟源只能由40KHz的LSI提供。

SYSCLK 通过 AHB 分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括：  
①AHB 总线、内核、内存和 DMA 使用的 HCLK 时钟。

②通过 8 分频后送给 Cortex 的系统定时器时钟，也就是 systick 了。

③直接送给 Cortex 的空闲运行时钟 FCLK。

④送给 APB1 分频器。APB1 分频器输出一路供 APB1 外设使用(PCLK1，最大频率 36MHz)，另一路送给定时器(Timer)2、3、4 倍频器使用。

⑤送给 APB2 分频器。APB2 分频器分频输出一路供 APB2 外设使用(PCLK2，最大频率 72MHz)，另一路送给定时器(Timer)1 倍频器使用。

其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的区别，APB1 上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3 等等，APB2 上面连接的是高速外设包括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、所有普通 IO 口(PA~PE)、第二功能 IO 口等。

## 关于时钟输出 ##

MCO 是 microcontroller clock output 的缩写，是微控制器时钟输出引脚，在 STM32 F1系列中 由 PA8 复用所得，主要作用是可以对外提供时钟，相当于一个有源晶振。 如图左下角的咖啡色方框里面，MCO 的时钟来源可以是： PLLCLK/2、 HSI、 HSE、 SYSCLK，具体选哪个由时钟配置寄存器CFGR 的位 26-24： MCO\[2:0\]决定。 除了对外提供时钟这个作用之外， 我们还可以通过示波器监控 MCO 引脚的时钟输出来验证我们的系统时钟配置是否正确。

## 软件配置时钟 ##

暂时只针对F1标准库  
在stm32的启动文件startup\_stm32f10x\_hd.s中，会发现有这么一块用汇编写的代码。

Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  __main
                IMPORT  SystemInit
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0               
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

从这里我们可以看到，我们的程序在进入到main函数之前，先要执行systeminit，跳转到这个函数的定义。里面的代码是对寄存器直接进行操作，原因是尽可能提高执行效率，以便尽快使MCU进入正常工作所需的时钟。  
下面给出简化了的SystemInit 函数源码，假定预定义了STM32F10X\_HD

void SystemInit (void)
    { 
      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(for debug purpose) */
      /* Set HSION bit */
      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
    
      /* Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits */
      RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;
      
      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
    
      /* Reset HSEBYP bit */
      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
    
      /* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */
      RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;
    
      /* Disable all interrupts and clear pending bits */
      RCC->CIR = 0x009F0000;
      /* Configure the System clock frequency, HCLK, PCLK2 and PCLK1 prescalers */
      /* Configure the Flash Latency cycles and enable prefetch buffer */
      SetSysClock();
    
    #ifdef VECT_TAB_SRAM
      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
    #else
      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
    #endif 
    }

这里我们主要关注SetSysClock函数，这里配置了系统时钟

static void SetSysClock(void)
    { 
    #ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
      SetSysClockToHSE();
    #elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz
      SetSysClockTo24();
    #elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
      SetSysClockTo36();
    #elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
      SetSysClockTo48();
    #elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
      SetSysClockTo56();  
    #elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
      SetSysClockTo72();
    #endif
     
     /* If none of the define above is enabled, the HSI is used as System clock source (default after reset) */ 
    }

正常情况下，通常我们都是需要配置成72MHz运行

static void SetSysClockTo72(void)
    { 
    	__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
    	// ① 使能 HSE，并等待 HSE 稳定
    	RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
    	
    	// 等待 HSE 启动稳定，并做超时处理
    	do { 
    		HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
    		StartUpCounter++;
    	} while ((HSEStatus == 0) &&(StartUpCounter !=HSE_STARTUP_TIMEOUT));
    	if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET) { 
    		HSEStatus = (uint32_t)0x01;
    	} else { 
    		HSEStatus = (uint32_t)0x00;
    	}
    	// HSE 启动成功，则继续往下处理
    	if (HSEStatus == (uint32_t)0x01) { 
    		//-----------------------------------------------------------
    		// 使能 FLASH 预存取缓冲区 */
    		FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
    		
    		// SYSCLK 周期与闪存访问时间的比例设置，这里统一设置成 2
    		// 设置成 2 的时候， SYSCLK 低于 48M 也可以工作，如果设置成 0 或者 1 的时候，
    		// 如果配置的 SYSCLK 超出了范围的话，则会进入硬件错误，程序就死了
    		// 0： 0 < SYSCLK <= 24M
    		// 1： 24< SYSCLK <= 48M
    		// 2： 48< SYSCLK <= 72M */
    		FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
    		FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;
    		//------------------------------------------------------------
    		
    		// ② 设置 AHB、 APB2、 APB1 预分频因子
    		// HCLK = SYSCLK
    		RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
    		//PCLK2 = HCLK
    		RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
    		//PCLK1 = HCLK/2
    		RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;
    		
    		//③ 设置 PLL 时钟来源，设置 PLL 倍频因子， PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz
    		RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)
    		~(RCC_CFGR_PLLSRC
    		| RCC_CFGR_PLLXTPRE
    		| RCC_CFGR_PLLMULL));
    		RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE
    		| RCC_CFGR_PLLMULL9);
    		
    		// ④ 使能 PLL
    		RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
    		
    		// ⑤ 等待 PLL 稳定
    		while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) { 
    		}
    		
    		// ⑥ 选择 PLL 作为系统时钟来源
    		RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
    		RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;
    		
    		// ⑦ 读取时钟切换状态位，确保 PLLCLK 被选为系统时钟
    		while ((RCC->CFGR&(uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){ 
    		}
    	} else { // 如果 HSE 启动失败，用户可以在这里添加错误代码出来
    	}
    }

SystemInit()函数运行完成后的状态：(注意以上程序默认是8M外部晶振的情况)  
SYSCLK（系统时钟）=72MHz

AHB 总线时钟(使用 SYSCLK) =72MHz

APB1 总线时钟(PCLK1) =36MHz

APB2 总线时钟(PCLK2) =72MHz

PLL 时钟 =72MHz

初始化之后可以通过变量SystemCoreClock获取系统变量。如果 SYSCLK=72MHz，那么变量SystemCoreClock=72000000。

参考鸣谢：  
[http://m.elecfans.com/article/606451.html][http_m.elecfans.com_article_606451.html]  
[http://blog.chinaunix.net/uid-24219701-id-4081961.html][http_blog.chinaunix.net_uid-24219701-id-4081961.html]  
[https://blog.csdn.net/jiangnaxing8498/article/details/77196424][https_blog.csdn.net_jiangnaxing8498_article_details_77196424]

[20201225112235702.png_x-oss-process_image_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc4ODU0Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/70b94d10e2694618850a4c4f82f7f7e7.png
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[http_m.elecfans.com_article_606451.html]: http://m.elecfans.com/article/606451.html
[http_blog.chinaunix.net_uid-24219701-id-4081961.html]: http://blog.chinaunix.net/uid-24219701-id-4081961.html
[https_blog.csdn.net_jiangnaxing8498_article_details_77196424]: https://blog.csdn.net/jiangnaxing8498/article/details/77196424