关于内外时钟切换及时钟超频测试

前言

近日，有群友困于STM32的时钟系统。这里就详细介绍一下关于内外时钟切换及时钟超频测试，希望对大家能有所帮助。

诚然，当使用固件库时，把外部晶振摘掉，系统确实会自动切换到内部时钟，但是只会以8M的默认值运行，显然这是十分不可行的，8M的速度直接让我们的STM32病入膏肓，今天的任务就是让STM32失去外挂（晶振）时，依旧可以激情澎湃。

时钟详解这里不过多介绍，自己也没有别人介绍的好，本文旨在解决现实问题。

此处插播广告：群友问过这种问题，外部接8M晶振和16M晶振有啥区别？

以我微薄的经验来看，这两个在用的时候差别不大，如果使用ST的固件库（以STM32F103为例），使用8M的晶振会更方便，不用改任何代码，时钟就是72M的全速运行状态。如果用16M晶振，则需要修改代码：

在stm32f10x.h中修改宏定义HSE_VALUE ((uint32_t)8000000)为HSE_VALUE ((uint32_t)16000000)。

之后进入system_stm32f10x.c，将RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);改为RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2| RCC_CFGR_PLLMULL9);此处是将输入时钟二分频为8M，再进行9倍频到72M，和使用了8M没区别。

如果不进行该二分频操作，时钟还是有的，但是会以16M为基准进行9倍频到144M，此时单片机以超频模式运行，也是可以运行的。但是，时钟的精准性不能得到保证。

系统的时钟可以通过添加代码在debug模式下显示：

RCC_ClocksTypeDef ClockInfo;
RCC_GetClocksFreq(&ClockInfo);

通过debug模式下观察ClockInfo的值，便可知道此时系统时钟速度：

这里提一下，在使用外部晶振的情况下，ST即使是超频，依旧发挥稳定，不得不夸一下ST的质量。

此时我将我的开发板以8M的基准倍频16倍，得到128M的主频，使用定时器定时10us，示波器测试无误差。串口通信无误。

以72M的主频跑128依旧稳定，赞一个，因为我的外部晶振只有8M最大只能倍频到128，如果使用外部16M，不知继续倍频可以到多少。不过性能还是很好的。

预留测试GD32的效果：

写本文时，将GD的GD32E230翻出来进行了同样的测试，因为GD的倍频器倍数较高，我已经倍频到144M（标准72M），测试定时器依旧稳定。

广告很长，请忍一下：

上半场结束，下半场继续：

此处歪解一下时钟的问题，之前有群友很疑惑单片机的低功耗和时钟的关系，疑惑高速的时钟会不会增加MCU的功耗，为啥低功耗要降低时钟速度。这里讲解一下：

可以用用单位时间内执行的指令来看，高速时钟在单位时间内使系统跑了更多的指令，而低速时钟单位时间内跑的少，而单片机是直线结构，内核是不会休息的，功耗就看执行的指令多少。而单片机的低功耗就是降低时钟，让单片机跑慢点。就像人一样，低功耗相当于你不跑了，原地休息，但是你的心跳不会停止，你还是得消耗能量，即使再少还得消耗。

就像人一样，时钟就相当于心跳，只要还活着就得消耗能量，你要想跑得快，心脏就得跳得快，跳得越快能量消耗越高，即使你去睡觉，心跳只要不停止，你还得消耗能量，如果心跳没了，整个人就没了，MCU也就宕机了。所以，在处理低功耗时最先解决的就是时钟频率，只有降低了时钟的频率，才能真正降低功耗。关于单片机进入低功耗和唤醒，以及降低整体运行功耗我看能不能在下文讲解，近期刚好做了一个低功耗的项目，这里留悬念吧。

广告结束，正文开始，不好意思，有点喧宾夺主了哈！

回到主题，为了解决时钟切换的问题，才有了这个帖子，上文全属歪楼，为最近开发时的经验总结。

我们在使用STM32103的固件库时，时钟配置在system_stm32f10x.c中，但是只是对外部晶振做了初始化，而对于内部时钟并没有添加代码，如果你的MCU没有外部晶振，当系统运行时是先启动内部时钟，然后会检测外部晶振，如果没有检测到晶振，系统便以内部的8M继续运行，这是不合理的。

这里可以看到，如果外部启动失败，会进入这个else，但是这个else中并未添加任何代码，所以只会用8M的内钟执行，我们要做的就是在else中添加外部启动失败的代码：

  /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */
  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 
  /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 
         
  /*PLLCLK=8/2*13=52MHz 设置倍频得到时钟源PLL的频率*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;
  /* PLL不分频输出*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
   
  /* 使能 PLL时钟 */
  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
  /* 等待PLL时钟就绪*/
  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
  {
  }
  /* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  
  /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/
  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
  {
}

该代码填充后如果检测到有外部时钟，便以外部时钟为基准进行时钟的倍频处理，达到用户想要的时钟频率，如果你的MCU没有外部时钟，则会执行else内部的代码，将时钟源切换到内部时钟并进行倍频，如此便达到了自动检测时钟的目的。

问题：这是我根据STM32F031的时钟切换代码演变来的，但是这个只能用于主频小于或等于48M时使用，如果倍频因子超过12，也就是主频超过48M是，就会出现硬件错误，直接卡死。当需要更高的主频时就需要如下配置。

在else里面最开头添加：

  /* Enable Prefetch Buffer */
  FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
  /* Flash 2 wait state */
  FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
FLASH->ACR|=(uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;

问：如果我的MCU有晶振，但是我不想用外部，就想用内部，如何处理呢？

答：打一顿就好了，有外部不用干啥用内部呢？

上述纯属恶搞自己，被坑过……

因为内部时钟不准！！！测试内部时钟在使用定时器时会有偏差，本人在此吃过亏。此问题在STM32F031和GD32E230中均有体现。但是USART和SPI通信是正常的，即使我用的2.5M波特率的USART和8M的SPI。

解决办法，上述代码不用动，添加如下代码。

通过注释原文RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);并添加RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);可默认之以内部时钟方式启动。 注意：在主函数加上SystemInit();函数哦！！！ 最终代码如下：

static void SetSysClockTo72(void)
{


__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;





/* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/  


/* Enable HSE */  


//RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


  /*取消改行注释并注释上文，可默认启动内部时钟*/


  RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */


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;


}






if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)


{


  /* Enable Prefetch Buffer */


  FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;






  /* Flash 2 wait state */


  FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);


  FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;  










  /* HCLK = SYSCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


  


  /* PCLK2 = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;


  


  /* PCLK1 = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;






#ifdef STM32F10X_CL


  /* Configure PLLs ------------------------------------------------------*/


  /* PLL2 configuration: PLL2CLK = (HSE / 5) * 8 = 40 MHz */


  /* PREDIV1 configuration: PREDIV1CLK = PLL2 / 5 = 8 MHz */


  


  RCC->CFGR2 &= (uint32_t)~(RCC_CFGR2_PREDIV2 | RCC_CFGR2_PLL2MUL |


          RCC_CFGR2_PREDIV1 | RCC_CFGR2_PREDIV1SRC);


  RCC->CFGR2 |= (uint32_t)(RCC_CFGR2_PREDIV2_DIV5 | RCC_CFGR2_PLL2MUL8 |


         RCC_CFGR2_PREDIV1SRC_PLL2 | RCC_CFGR2_PREDIV1_DIV5);





  /* Enable PLL2 */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLL2ON;


  /* Wait till PLL2 is ready */


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLL2RDY) == 0)


  {


  }


  


 


  /* PLL configuration: PLLCLK = PREDIV1 * 9 = 72 MHz */ 


  RCC->CFGR &= (uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL);


  RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | 


          RCC_CFGR_PLLMULL9); 


#else  


  /*PLL configuration: 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_PLLMULL16);


#endif /* STM32F10X_CL */






  /* Enable PLL */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






  /* Wait till PLL is ready */


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


  {


  }


  


  /* Select PLL as system clock source */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  






  /* Wait till PLL is used as system clock source */


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)


  {


  }


}


else


{ 


  /* Enable Prefetch Buffer */


  FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;


  /* Flash 2 wait state */


  FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);


  FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    


   /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */


  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 






  /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 






         


  /*PLLCLK=8/2*13=52MHz 设置倍频得到时钟源PLL的频率*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL16;






  /* PLL不分频输出*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


   


  /* 使能 PLL时钟 */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






  /* 等待PLL时钟就绪*/


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


  {


  }










  /* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  






  /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)


  {






  }


}


}

在STM32F030或者STM32F031中，同样可以做类似操作：

static void SetSysClock(void)
{


__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;





/* SYSCLK, HCLK, PCLK configuration ----------------------------------------*/


/* Enable HSE */ 






RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


  //修改为内部晶振  


//  RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


 


/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */


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;


}






if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)


{


  /* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */


  FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;


 


  /* HCLK = SYSCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


  


  /* PCLK = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






  /* PLL configuration = HSE * 6 = 48 MHz */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL7);


    


  /* Enable PLL */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






  /* Wait till PLL is ready */


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


  {


  }






  /* Select PLL as system clock source */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  






  /* Wait till PLL is used as system clock source */


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL)


  {


  }


}


else


{ /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock 


   configuration. User can add here some code to deal with this error */


       // HSI 内部时钟做为PLL时钟源并配置PLL 56M做为系统时钟


  /* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */


  FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;






  /* HCLK = SYSCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;






  /* PCLK = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






  // PLL configuration = (HSI/2) * 12 = 48 MHz


  RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, RCC_PLLMul_14); // 8M/2 * 14 = 56M






  /* Enable PLL */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






  /* Wait till PLL is ready */


  while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


  {


  }






  /* Select PLL as system clock source */


  RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); // PLL 做系统时钟






  /* Wait till PLL is used as system clock source */


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL)


  {


  }


}


}

在STM32F103中，使用内部晶振，最大时钟频率也只能到64M，受倍频因子的影响嘛，最大只能倍频16倍。但在STM32F031中，标准使用内部时钟主频只有48M，但是我们仍然可以继续倍频，用内部时钟进行超频达到64M。在我们的产品中就用过内部超频到56M，USART和SPI长时间无问题。

而GD32E230因为其高达32的倍频因子，内部时钟可以倍频到128M。

但是，这种几分钟内没有明显发热现象，不敢做长时间测试，现在MCU有点小贵。干费一个就心疼。

总之，无论ST还是国产，其主频更适合在规定的范围内运行，但是跑极限在短时间内也没有很大的问题。这些数据仅供参考。

至此单片机时钟讲解就结束了，没有多少理论性的东西，主要是解决一些时钟使用时的问题，自己也总是忘，留帖一篇作为自省。

本文中所有代码都经过本人测试，运行无任何问题，但是对于问题的阐述或者一些见解可能有错误，欢迎大佬们批评指正，一定接受各种批评，努力完善！

审核编辑 ：李倩