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第10章 STM32系统时钟

2024/11/24 STM32
第10章 STM32系统时钟

一、时钟树

什么是时钟，对单片机有什么作用

时钟是由电路产生的具有周期性的脉冲信号，相当于单片机的心脏，要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟，驱动外设的本质是操作寄存器，所以要想操作寄存器必须开启对应外设的时钟。

为什么要有时钟树

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，主要也是为了降低整个芯片的功耗，所有外设时钟默认都是关闭状态(disable)，当我们使用某个外设就要开启这个外设的时钟(enable)，不同外设需要的时钟频率不同，没必要所有外设都用高速时钟造成浪费，而且有些外设也接受不了这么高的频率，这也是为什么STM32有四个时钟源的原因，就是兼容不同速度的外设，STM32的四个时钟源分别为：HSE、LSE、HSI、LSI

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  1. HSE、HSI、PLL属于高速时钟，LSE、LSI属于低速时钟
  2. 按照来源可以分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是在STM32晶振引脚处接入外部的晶振来获取时钟源，如：HSE、LSE，其余为内部时钟源

HSI时钟

  1. HSI： High Speed Internal Clock signal，高速的内部时钟，为RC振荡器，频率可以达到8M，可作为系统时钟或者PLL锁相环的输入。
  2. 来源： 芯片内部，大小为8M，当HSE故障时，系统时钟 会自动切换到HSI，直到HSE启动成功。
  3. 作用： 可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入。HSI RC振荡器能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟。它的启动时间比HSE晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差

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HSE时钟

  1. HSE： High Speed External Clock signal，即高速的外部时钟，有两个引脚，可以接入外部高速晶振（4M-16M），为了方便计算，一般使用8M。
  2. 来源： 无源晶振（4-16M），通常使用8M。
  3. 作用： 可不分频或2分频(频率/2)作为PLL锁相环的输入，还可直接不分频作为系统时钟，128分频作为外设RTC时钟的输入

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LSI时钟

  1. LSI: low Speed Internal Clock signal，低速的内部时钟。
  2. 来源： 内部芯片，LSI RC担当一个低功耗时钟源的角色，它可以在停机和待机模式下保持运行，LSI时钟频率大约40kHz(在30kHz和60kHz之间)。
  3. 作用： 为独立看门狗和自动唤醒单元(RTC)提供时钟
  4. 独立看门狗只能依靠LSI这个内部低速时钟作为它的时钟源

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LSE时钟

  1. LSE： low Speed External Clock signal，低速的外部时钟。
  2. 来源： 芯片内部，LSE晶体是一个32.768kHz的低速外部晶体或陶瓷谐振器。它为实时时钟或者其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。
  3. 作用： 直接作为RTC是时钟来源

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锁相环时钟PLLCLK

  1. 锁相环时钟： PLLCLK
  2. 来源： 选择HIS振荡器除2或HSE振荡器为PLL的输入时钟，和选择倍频因子，必须在其被激活前完成。一旦PLL被激活，这些参数就不能被改动。
  3. 作用： 内部PLL可以用来倍频HSI RC的输出时钟或HSE晶体输出时钟(倍频数2~16倍)，而经过倍频变成PLLCLK可以作为系统时钟源

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注意：PLL时钟源头使用HIS/2的时候，PLLMUL最大只能 是16，这个时候PLLCLK最大只能是64M，小于ST官方推 荐的最大时钟72M。如果需要在应用中使用USB接口，PLL必须被设置为输出48或72MHZ时钟，用于提供48MHz的USBCLK时钟。

系统时钟SYSCLK

  1. 系统时钟： SYSCLK，最高为72M（ST官方推荐的）
  2. 来源： HSI、HSE、PLLCLK。
  3. 控制： CFGR：SW
  4. 注意： 通常的配置是SYSCLK = PLLCLK = 72M

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HCLK时钟

  1. HCLK： AHB高速总线时钟，速度最高为72M。
  2. 作用： 为AHB总线的外设提供时钟、为Cortex系统定时器提供时钟（SysTick）、为内核提供时（FCLK）。
  3. 来源： 系统时钟分频得到，一般设置HCLK=SYSCLK=72M
  4. 控制： CFGR：HPRE

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PCLK1时钟

  1. PCLK1： APB1低速总线时钟，最高为36M。
  2. 作用： 为APB1总线的外设提供时钟。1或2倍频之后则为APB1总线的定时器2~7提供时钟，最大为72M。
  3. 来源： HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK/2=36M
  4. 控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE1位

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PCLK2时钟

  1. PCLK2： APB2高速总线时钟，最高为72M。
  2. 作用： 为APB2总线的外设提供时钟。为APB2总线的定时器1和8提供时钟，最大为72M。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。
  3. 来源： HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK=72M
  4. 控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE2位

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RTC时钟

  1. RTC时钟： 为芯片内部的RTC外设提供时钟。
  2. 来源： HSE_RTC（HSE分频得到）、LSE（外部32.768KHZ的 晶体提供）、LSI（32KHZ）。
  3. 控制： RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR：RTCSEL位控制
  4. 独立看门狗时钟： IWDGCLK，由LSI提供

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时钟安全系统(CSS)

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监视高速外部时钟HSE的工作状态。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。一旦CSS被激活，并且HSE时钟出现故障，CSS中断就产生，并且NMI也自动产生。NMI将被不断执行，直到CSS中断挂起位被清除。

MCO时钟输出

  1. MCO： microcontroller clockoutput，微控制器时钟输出引脚，由PA8复用所得。可以把时钟信号输出供外部使用，也可以用示波器检测时钟信号的参数(峰峰值，频率…)
  2. 来源： PLLCLK/2，HSE、HSI、SYSCLK
  3. 控制： CRGR：MCO

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二、时钟系统配置

  1. STM32单片机上电，就会执行启动文件(汇编代码编写)中的复位程序。

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  1. 执行复位程序
    • 调用SystemInit系统初始化函数完成系统时钟的配置(配置成72MHZ)
    • 调用_main函数初始化堆栈指针，然后再调用C库函数main函数，去到C语言的世界 所以跳转到C语言的main函数时，已经完成了系统时钟(SYSCLK)的配置。

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三、时钟配置函数

  1. 时钟初始化配置函数
    void SystemInit(void)
会配置如下时钟
SYSCLK（系统时钟） = 72MHz
AHB  总线时钟(HCLK=SYSCLK) = 72MHz
APB1 总线时钟(PCLK1=SYSCLK/2) = 36MHz
APB2 总线时钟(PCLK2=SYSCLK/1) = 72MHz
PLL  主时钟 = 72MHz
  2. 外设时钟使能配置函数
    void RCC_AHBPeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState)
void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState)
void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState)
  3. 时钟源使能函数
    void RCC_HSICmd(FunctionalState NewState);
void RCC_LSICmd(FunctionalState NewState);
void RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState);
void RCC_RTCCLKCmd(FunctionalState NewState);
  4. 时钟源和倍频因子配置函数
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE);
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
void RCC_PLLConfig(uint32_t RCC_PLLSource, uint32_t RCC_PLLMul);
参数1：来源，参数2：倍频系数
  5. 外设时钟复位函数
    void RCC_APB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState)
void RCC_APB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState)
    • 对于STM32F10系列高容量的芯片是没有AHB总线上的外设的，对于复位这些就没有AHB

四、自定义系统时钟

参数1：HSE的分频系数，参数2：PLL的倍频系数（2-16）
void RCC_HSE_Config(u32 div,u32 pllm) //自定义系统时间（可以修改时钟）
{
    RCC_DeInit(); //将外设RCC寄存器重设为缺省值，即默认状态的值
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);//设置外部高速晶振（HSE）
    if(RCC_WaitForHSEStartUp()==SUCCESS) //等待HSE起振
    {
        // 下面3个是要设置分频系数
        RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);//设置AHB时钟（HCLK）
        RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);//设置低速AHB时钟（PCLK1）
        RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);//设置高速AHB时钟（PCLK2）

        // 配置时钟来源和倍频系数，由形参传递进来
        RCC_PLLConfig(div,pllm);//设置PLL时钟源及倍频系数

        RCC_PLLCmd(ENABLE); //使能或者失能PLL
        while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY)==RESET);//检查指定的RCC标志位设置与否,PLL就绪
        RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);//设置系统时钟（SYSCLK）
        while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08);//返回用作系统时钟的时钟源,0x08是系统时钟PLL：PLL作为系统时钟
    }
}

五、代码实现

main.c

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LED.c

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LED.h

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