STM32單片機(jī)的原理詳解 STM32時(shí)鐘系統(tǒng)的配置方法

1.概述

時(shí)鐘是單片機(jī)的脈搏，是單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)源，使用任何一個(gè)外設(shè)都必須打開相應(yīng)的時(shí)鐘。這樣的好處是，如果不使用一個(gè)外設(shè)的時(shí)候，就把它的時(shí)鐘關(guān)掉，從而可以降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能，實(shí)現(xiàn)低功耗的效果。

每個(gè)時(shí)鐘tick，系統(tǒng)都會(huì)處理一步數(shù)據(jù)，這樣才能讓工作不出現(xiàn)紊亂。

2.原理

首先，任何外設(shè)都需要時(shí)鐘，51單片機(jī)，STM32，430等等，因?yàn)?a href="http://m.makelele.cn/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器是由D觸發(fā)器組成的，往觸發(fā)器里面寫東西，前提條件是有時(shí)鐘輸入。

51單片機(jī)不需要配置時(shí)鐘，是因?yàn)橐粋€(gè)時(shí)鐘開了之后所有的功能都可以用了，而這個(gè)時(shí)鐘是默認(rèn)開啟的，比如有一個(gè)水庫(kù)，水庫(kù)有很多個(gè)門，這些門默認(rèn)是開啟的，所以每個(gè)門都會(huì)出水，我們需要哪個(gè)門的水的時(shí)候可以直接用，但是也存在一個(gè)問題，其他沒用到的門也在出水，即也在耗能。這里水庫(kù)可以認(rèn)為是能源，門可以認(rèn)為是每個(gè)外設(shè)的使用狀態(tài)，時(shí)鐘可以認(rèn)為是門的開關(guān)。

STM32之所以是低功耗，他將所有的門都默認(rèn)設(shè)置為disable，在你需要用哪個(gè)門的時(shí)候，開哪個(gè)門就可以，也就是說用到什么外設(shè)，只要打開對(duì)應(yīng)外設(shè)的時(shí)鐘就可以，其他的沒用到的可以還是disable，這樣耗能就會(huì)減少。

在51單片機(jī)中一個(gè)時(shí)鐘把所有的都包了，而stm32的時(shí)鐘是有分工的，并且每類時(shí)鐘的頻率不一樣，因?yàn)闆]必要所有的時(shí)鐘都是最高頻率，只要夠用就行，好比一個(gè)門出來水流大小，我只要洗臉，但是出來的是和洪水一樣涌出來的水，那就gg了，消耗能源也多，所以不同的時(shí)鐘也會(huì)有頻率差別，或者在配置的時(shí)候可以配置時(shí)鐘分頻。

拓展：為何要先配置時(shí)鐘，再配置GPIO（功能模塊）

所有寄存器都需要時(shí)鐘才能配置，寄存器是由D觸發(fā)器組成的，只有送來了時(shí)鐘，觸發(fā)器才能被改寫值。

任何MCU的任何外設(shè)都需要有時(shí)鐘，8051也是如此；STM32為了讓用戶更好地掌握功耗，對(duì)每個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘都設(shè)置了開關(guān)，讓用戶可以精確地控制，關(guān)閉不需要的設(shè)備，達(dá)到節(jié)省供電的目的。

51單片機(jī)不用配置IO時(shí)鐘，只是因?yàn)槟J(rèn)使用同一個(gè)時(shí)鐘，這樣是方便，但是這樣的話功耗就降低不了。例如，某個(gè)功能不需要，但是它還是一直運(yùn)行。

stm32需要配置時(shí)鐘，就可以把不需要那些功能的功耗去掉。當(dāng)你想關(guān)閉某個(gè)IO的時(shí)候，關(guān)閉它相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘使能就是了，不過在51里面，在使用IO的時(shí)候是沒有設(shè)置IO的時(shí)鐘的。

在STM32中，有外部和內(nèi)部時(shí)鐘之分。ARM的芯片都是這樣，外設(shè)通常都是給了時(shí)鐘后，才能設(shè)置它的寄存器（即才能使用這個(gè)外設(shè)）。STM32、LPC1XXX等等都是這樣。這么做的目的是為了省電，使用了所謂時(shí)鐘門控的技術(shù)。這也屬于電路里同步電路的范疇：同步電路總是需要1個(gè)時(shí)鐘。

3.詳述STM32時(shí)鐘

STM32時(shí)鐘系統(tǒng)主要的目的就是給相對(duì)獨(dú)立的外設(shè)模塊提供時(shí)鐘，也是為了降低整個(gè)芯片的耗能。

系統(tǒng)時(shí)鐘，是處理器運(yùn)行時(shí)間基準(zhǔn)（每一條機(jī)器指令一個(gè)時(shí)鐘周期）

乍一看很嚇人，但其實(shí)很好理解，我們看系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK 的左邊系統(tǒng)時(shí)鐘有很多種選擇，而左邊的部分就是設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘使用那個(gè)時(shí)鐘源。

系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK 的右邊，則是系統(tǒng)時(shí)鐘通過AHB預(yù)分頻器，給相對(duì)應(yīng)的外設(shè)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率。

從左到右可以簡(jiǎn)單理解為：

各個(gè)時(shí)鐘源—>系統(tǒng)時(shí)鐘來源的設(shè)置—>各個(gè)外設(shè)時(shí)鐘的設(shè)置

時(shí)鐘源

在STM32中，可以用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以用外部時(shí)鐘，在要求進(jìn)度高的應(yīng)用場(chǎng)合最好用外部晶體震蕩器，內(nèi)部時(shí)鐘存在一定的精度誤差。

準(zhǔn)確的來說有4個(gè)時(shí)鐘源可以選分別是HSI、LSI、HSE、LSE（即內(nèi)部高速，內(nèi)部低速，外部高速，外部低速），高速時(shí)鐘主要用于系統(tǒng)內(nèi)核和總線上的外設(shè)時(shí)鐘。低速時(shí)鐘主要用于獨(dú)立看門狗IWDG、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。

HSI是高速內(nèi)部時(shí)鐘，RC振蕩器，頻率為8MHz，上電后默認(rèn)的系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK = 8MHz，F(xiàn)lash編程時(shí)鐘。

HSE是高速外部時(shí)鐘，可接石英/陶瓷諧振器，或者接外部時(shí)鐘源，頻率范圍為4MHz~16MHz。

LSI是低速內(nèi)部時(shí)鐘，RC振蕩器，頻率為40kHz，可用于獨(dú)立看門狗IWDG、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。

LSE是低速外部時(shí)鐘，接頻率為32.768kHz的石英晶體。

PLL為鎖相環(huán)倍頻輸出，其時(shí)鐘輸入源可選擇為HSI/2、HSE或者HSE/2。倍頻可選擇為2~16倍，但是其輸出頻率最大不得超過72MHz。通過倍頻之后作為系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源
（網(wǎng)上有很多人說是5個(gè)時(shí)鐘源，這種說法有點(diǎn)問題，學(xué)習(xí)之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)PLL并不是自己產(chǎn)生的時(shí)鐘源，而是通過其他三個(gè)時(shí)鐘源倍頻得到的時(shí)鐘）

舉個(gè)例子：Keil編寫程序是默認(rèn)的時(shí)鐘為72Mhz，其實(shí)是這么來的：外部晶振(HSE)提供的8MHz（與電路板上的晶振的相關(guān)）通過PLLXTPRE分頻器后，進(jìn)入PLLSRC選擇開關(guān)，進(jìn)而通過PLLMUL鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（x9）后，為系統(tǒng)提供72Mhz的系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）。之后是AHB預(yù)分頻器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，然后為低速外設(shè)提供時(shí)鐘。

或者內(nèi)部RC振蕩器(HSI) 為 8MHz /2 為4MHz，進(jìn)入PLLSRC選擇開關(guān)，通過PLLMUL鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（x18）后為72MHz。

系統(tǒng)時(shí)鐘

系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK可來源于三個(gè)時(shí)鐘源：
①、HSI振蕩器時(shí)鐘
②、HSE振蕩器時(shí)鐘
③、PLL時(shí)鐘

最大為72Mhz

PLL 鎖相環(huán)倍頻（輸入和輸出）

PLL的輸入3種選擇：

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

PLL的輸出有15種選擇：PLLout = PLLi Xn (n = 2…16)

USB時(shí)鐘

STM32中有一個(gè)全速功能的USB模塊，其串行接口引擎需要一個(gè)頻率為48MHz的時(shí)鐘源。該時(shí)鐘源只能從PLL輸出端獲?。ㄎㄒ坏模?，可以選擇為1.5分頻或者1分頻，也就是，當(dāng)需要使用USB模塊時(shí)，PLL必須使能，并且時(shí)鐘頻率配置為48MHz或72MHz。

把時(shí)鐘信號(hào)輸出到外部

STM32可以選擇一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出到MCO腳(PA8)上，可以選擇為PLL輸出的2分頻、HSI、HSE、或者系統(tǒng)時(shí)鐘。可以把時(shí)鐘信號(hào)輸出供外部使用。

系統(tǒng)時(shí)鐘通過AHB分頻器給外設(shè)提供時(shí)鐘（右邊的部分）?重點(diǎn)!!!

從左到右可以簡(jiǎn)單理解為:

系統(tǒng)時(shí)鐘—>AHB分頻器—>各個(gè)外設(shè)分頻倍頻器 —> 外設(shè)時(shí)鐘的設(shè)置

右邊部分為：系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK通過AHB分頻器分頻后送給各模塊使用，AHB分頻器可選擇1、2、4、8、16、64、128、256、512分頻。

其中AHB分頻器輸出的時(shí)鐘送給5大模塊使用：

①內(nèi)核總線：送給AHB總線、內(nèi)核、內(nèi)存和DMA使用的HCLK時(shí)鐘。

②Tick定時(shí)器：通過8分頻后送給Cortex的系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘。

③I2S總線：直接送給Cortex的空閑運(yùn)行時(shí)鐘FCLK。

④APB1外設(shè)：送給APB1分頻器。APB1分頻器可選擇1、2、4、8、16分頻，其輸出一路供APB1外設(shè)使用(PCLK1，最大頻率36MHz)，另一路送給通用定時(shí)器使用。該倍頻器可選擇1或者2倍頻，時(shí)鐘輸出供定時(shí)器2-7使用。

⑤APB2外設(shè)：送給APB2分頻器。APB2分頻器可選擇1、2、4、8、16分頻，其輸出一路供APB2外設(shè)使用(PCLK2，最大頻率72MHz)，另一路送給高級(jí)定時(shí)器。該倍頻器可選擇1或者2倍頻，時(shí)鐘輸出供定時(shí)器1和定時(shí)器8使用。

另外，APB2分頻器還有一路輸出供ADC分頻器使用，分頻后送給ADC模塊使用。ADC分頻器可選擇為2、4、6、8分頻。

需要注意的是，如果 APB 預(yù)分頻器分頻系數(shù)是 1，則定時(shí)器時(shí)鐘頻率 (TIMxCLK) 為 PCLKx。否則，定時(shí)器時(shí)鐘頻率將為 APB 域的頻率的兩倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

APB1 和 APB2對(duì)應(yīng)外設(shè)

F4系列：

APB2總線：高級(jí)定時(shí)器timer1, timer8、通用定時(shí)器timer9, timer10, timer11、UTART1,USART6

APB1總線：通用定時(shí)器timer2、timer5、通用定時(shí)器timer12、timer14、基本定時(shí)器timer、timer7、UTART2~UTART5。

F4系列的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率最高能到168M

具體可以在 stm32f40x_rcc.h 中查看

或者通過 STM32參考手冊(cè)搜索“系統(tǒng)架構(gòu)”或者“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”查看外設(shè)掛在哪個(gè)時(shí)鐘下

RCC相關(guān)寄存器

Reset and clock control (RCC)：時(shí)鐘配置，控制提供給各模塊時(shí)鐘信號(hào)的通斷。

以F1系列為例：

RCC 寄存器結(jié)構(gòu)，RCC_TypeDeff，在文件“stm32f10x.h”中定義如下

typedef?struct
{  
 vu32 CR;           //HSI,HSE,CSS,PLL等的使能  
 vu32?CFGR;?????????//PLL等的時(shí)鐘源選擇以及分頻系數(shù)設(shè)定
 vu32?CIR;??????????//?清除/使能?時(shí)鐘就緒中斷
 vu32?APB2RSTR;?????//APB2線上外設(shè)復(fù)位寄存器
 vu32?APB1RSTR;?????//APB1線上外設(shè)復(fù)位寄存器
 vu32?AHBENR;???????//DMA，SDIO等時(shí)鐘使能
 vu32?APB2ENR;??????//APB2線上外設(shè)時(shí)鐘使能
 vu32?APB1ENR;????? //APB1線上外設(shè)時(shí)鐘使能
 vu32?BDCR;?????????//備份域控制寄存器
 vu32 CSR;             
} RCC_TypeDef;

RCC初始化

這里我們使用HSE(外部時(shí)鐘），正常使用的時(shí)候也都是使用外部時(shí)鐘

使用HSE時(shí)鐘，程序設(shè)置時(shí)鐘參數(shù)流程：

1、將RCC寄存器重新設(shè)置為默認(rèn)值 RCC_DeInit;

2、打開外部高速時(shí)鐘晶振HSE RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

3、等待外部高速時(shí)鐘晶振工作 HSEStartUpStatus = RCC_Wai tForHSEStartUp();

4、設(shè)置AHB時(shí)鐘 RCC_HCLKConfig;

5、設(shè)置高速AHB時(shí)鐘 RCC_PCLK2Config;

6、設(shè)置低速速AHB時(shí)鐘 RCC_PCLK1Config;

7、設(shè)置PLL RCC_PLLConfig;

8、打開PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);

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

10、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘 RCC_SYSCLKConfig;

11、判斷是否PLL是系統(tǒng)時(shí)鐘 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)

12、打開要使用的外設(shè)時(shí)鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()

代碼實(shí)現(xiàn)

對(duì)RCC的配置函數(shù)(使用外部8MHz晶振)  
系統(tǒng)時(shí)鐘72MHz，APH 72MHz，APB2 72MHz，APB1 32MHz，USB 48MHz TIMCLK=72M
void RCC_Configuration(void)
{
    //----------使用外部RC晶振-----------
    RCC_DeInit();                                 //初始化為缺省值
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);    //使能外部的高速時(shí)鐘
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);    //等待外部高速時(shí)鐘使能就緒


    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


    //---------打開相應(yīng)外設(shè)時(shí)鐘--------------------
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);    //使能APB2外設(shè)的GPIOA的時(shí)鐘        
}

時(shí)鐘監(jiān)視系統(tǒng)