STM32单片机的原理详解 STM32时钟系统的配置方法

1.概述

时钟是单片机的脉搏，是单片机的驱动源，使用任何一个外设都必须打开相应的时钟。这样的好处是，如果不使用一个外设的时候，就把它的时钟关掉，从而可以降低系统的功耗，达到节能，实现低功耗的效果。

每个时钟tick，系统都会处理一步数据，这样才能让工作不出现紊乱。

2.原理

首先，任何外设都需要时钟，51单片机，STM32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。

51单片机不需要配置时钟，是因为一个时钟开了之后所有的功能都可以用了，而这个时钟是默认开启的，比如有一个水库，水库有很多个门，这些门默认是开启的，所以每个门都会出水，我们需要哪个门的水的时候可以直接用，但是也存在一个问题，其他没用到的门也在出水，即也在耗能。这里水库可以认为是能源，门可以认为是每个外设的使用状态，时钟可以认为是门的开关。

STM32之所以是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，其他的没用到的可以还是disable，这样耗能就会减少。

在51单片机中一个时钟把所有的都包了，而stm32的时钟是有分工的，并且每类时钟的频率不一样，因为没必要所有的时钟都是最高频率，只要够用就行，好比一个门出来水流大小，我只要洗脸，但是出来的是和洪水一样涌出来的水，那就gg了，消耗能源也多，所以不同的时钟也会有频率差别，或者在配置的时候可以配置时钟分频。

拓展：为何要先配置时钟，再配置GPIO（功能模块）

所有寄存器都需要时钟才能配置，寄存器是由D触发器组成的，只有送来了时钟，触发器才能被改写值。

任何MCU的任何外设都需要有时钟，8051也是如此；STM32为了让用户更好地掌握功耗，对每个外设的时钟都设置了开关，让用户可以精确地控制，关闭不需要的设备，达到节省供电的目的。

51单片机不用配置IO时钟，只是因为默认使用同一个时钟，这样是方便，但是这样的话功耗就降低不了。例如，某个功能不需要，但是它还是一直运行。

stm32需要配置时钟，就可以把不需要那些功能的功耗去掉。当你想关闭某个IO的时候，关闭它相对应的时钟使能就是了，不过在51里面，在使用IO的时候是没有设置IO的时钟的。

在STM32中，有外部和内部时钟之分。ARM的芯片都是这样，外设通常都是给了时钟后，才能设置它的寄存器（即才能使用这个外设）。STM32、LPC1XXX等等都是这样。这么做的目的是为了省电，使用了所谓时钟门控的技术。这也属于电路里同步电路的范畴：同步电路总是需要1个时钟。

3.详述STM32时钟

STM32时钟系统主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，也是为了降低整个芯片的耗能。

系统时钟，是处理器运行时间基准（每一条机器指令一个时钟周期）

乍一看很吓人，但其实很好理解，我们看系统时钟SYSCLK 的左边 系统时钟有很多种选择，而左边的部分就是设置系统时钟使用那个时钟源。

系统时钟SYSCLK 的右边，则是系统时钟通过AHB预分频器，给相对应的外设设置相对应的时钟频率。

从左到右可以简单理解为：

各个时钟源—>系统时钟来源的设置—>各个外设时钟的设置

时钟源

在STM32中，可以用内部时钟，也可以用外部时钟，在要求进度高的应用场合最好用外部晶体震荡器，内部时钟存在一定的精度误差。

准确的来说有4个时钟源可以选分别是HSI、LSI、HSE、LSE（即内部高速，内部低速，外部高速，外部低速），高速时钟主要用于系统内核和总线上的外设时钟。低速时钟主要用于独立看门狗IWDG、实时时钟RTC。

HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz，上电后默认的系统时钟 SYSCLK = 8MHz，Flash编程时钟。

HSE是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz。

LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz，可用于独立看门狗IWDG、实时时钟RTC。

LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。

PLL为锁相环倍频输出，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。通过倍频之后作为系统时钟的时钟源
（ 网上有很多人说是5个时钟源，这种说法有点问题，学习之后就会发现PLL并不是自己产生的时钟源，而是通过其他三个时钟源倍频得到的时钟）

举个例子：Keil编写程序是默认的时钟为72Mhz，其实是这么来的：外部晶振(HSE)提供的8MHz（与电路板上的晶振的相关）通过PLLXTPRE分频器后，进入PLLSRC选择开关，进而通过PLLMUL锁相环进行倍频（x9）后，为系统提供72Mhz的系统时钟（SYSCLK）。之后是AHB预分频器对时钟信号进行分频，然后为低速外设提供时钟。

或者内部RC振荡器(HSI) 为 8MHz /2 为4MHz，进入PLLSRC选择开关，通过PLLMUL锁相环进行倍频（x18）后为72MHz。

系统时钟

系统时钟SYSCLK可来源于三个时钟源：
①、HSI振荡器时钟
②、HSE振荡器时钟
③、PLL时钟

最大为72Mhz

PLL 锁相环倍频（输入和输出）

PLL的输入3种选择：

①、PLLi = HSI /2
①、PLLi = HSE /2
③、PLLi = HSE

PLL的输出有15种选择：PLLout = PLLi Xn (n = 2…16)

USB时钟

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（唯一的），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。

把时钟信号输出到外部

STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟。可以把时钟信号输出供外部使用。

系统时钟通过AHB分频器给外设提供时钟（右边的部分） 重点!!!

从左到右可以简单理解为:

系统时钟—>AHB分频器—>各个外设分频倍频器 —> 外设时钟的设置

右边部分为：系统时钟SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用，AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。

其中AHB分频器输出的时钟送给5大模块使用：

①内核总线：送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。

②Tick定时器：通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟。

③I2S总线：直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。

④APB1外设：送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB1外设使用(PCLK1，最大频率36MHz)，另一路送给通用定时器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2-7使用。

⑤APB2外设：送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率72MHz)，另一路送给高级定时器。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器1和定时器8使用。

另外，APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。

需要注意的是，如果 APB 预分频器分频系数是 1，则定时器时钟频率 (TIMxCLK) 为 PCLKx。否则，定 时器时钟频率将为 APB 域的频率的两倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

APB1 和 APB2对应外设

F4系列：

APB2总线：高级定时器timer1, timer8、通用定时器timer9, timer10, timer11、UTART1,USART6

APB1总线：通用定时器timer2、timer5、通用定时器timer12、timer14、基本定时器timer、timer7、UTART2~UTART5。

F4系列的系统时钟频率最高能到168M

具体可以在 stm32f40x_rcc.h 中查看

或者通过 STM32参考手册搜索“系统架构”或者“系统结构”查看外设挂在哪个时钟下

RCC相关寄存器

Reset and clock control (RCC)：时钟配置，控制提供给各模块时钟信号的通断。

以F1系列为例：

RCC 寄存器结构，RCC_TypeDeff，在文件“stm32f10x.h”中定义如下

 

typedef struct
{  
 vu32 CR;           //HSI,HSE,CSS,PLL等的使能  
 vu32 CFGR;         //PLL等的时钟源选择以及分频系数设定
 vu32 CIR;          // 清除/使能 时钟就绪中断
 vu32 APB2RSTR;     //APB2线上外设复位寄存器
 vu32 APB1RSTR;     //APB1线上外设复位寄存器
 vu32 AHBENR;       //DMA，SDIO等时钟使能
 vu32 APB2ENR;      //APB2线上外设时钟使能
 vu32 APB1ENR;      //APB1线上外设时钟使能
 vu32 BDCR;         //备份域控制寄存器
 vu32 CSR;             
} RCC_TypeDef;

 

RCC初始化

这里我们使用HSE(外部时钟），正常使用的时候也都是使用外部时钟

使用HSE时钟，程序设置时钟参数流程：

1、将RCC寄存器重新设置为默认值 RCC_DeInit;

2、打开外部高速时钟晶振HSE RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

3、等待外部高速时钟晶振工作 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();

4、设置AHB时钟 RCC_HCLKConfig;

5、设置高速AHB时钟 RCC_PCLK2Config;

6、设置低速速AHB时钟 RCC_PCLK1Config;

7、设置PLL RCC_PLLConfig;

8、打开PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);

9、等待PLL工作 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)

10、设置系统时钟 RCC_SYSCLKConfig;

11、判断是否PLL是系统时钟 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)

12、打开要使用的外设时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()

代码实现

 

对RCC的配置函数(使用外部8MHz晶振)  
系统时钟72MHz，APH 72MHz，APB2 72MHz，APB1 32MHz，USB 48MHz TIMCLK=72M
void RCC_Configuration(void)
{
    //----------使用外部RC晶振-----------
    RCC_DeInit();                                 //初始化为缺省值
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);    //使能外部的高速时钟
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);    //等待外部高速时钟使能就绪


    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);    //Enable Prefetch Buffer
    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                                    //Flash 2 wait state


    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);          //HCLK = SYSCLK
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);            //PCLK2 =  HCLK
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);            //PCLK1 = HCLK/2
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1,RCC_PLLMul_9);    //PLLCLK = 8MHZ * 9 =72MHZ
    RCC_PLLCmd(ENABLE);            //Enable PLLCLK


    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);    //Wait till PLLCLK is ready
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);    //Select PLL as system clock
    while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08);        //Wait till PLL is used as system clock source


    //---------打开相应外设时钟--------------------
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);    //使能APB2外设的GPIOA的时钟        
}

 

时钟监视系统

STM32还提供了一个时钟监视系统（CSS），用于监视高速外部时钟（HSE）的工作状态。

倘若HSE失效，会自动切换（高速内部时钟）HSI作为系统时钟的输入，保证系统的正常运行。

 

　　审核编辑：汤梓红