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STM32系统时钟超详解

2024-05-06 11:26:32 来源：口口声声网 作者：综合 点击:603次

STM32系统时钟超详解

✅作者简介：嵌入式入坑者，系详解与大家一起加油，钟超希望文章能够帮助各位！系详解！钟超！系详解！钟超
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目录

  • 一.什么是系详解时钟
  • 二.时钟树
    • 1.HSE时钟
    • 2.HSI时钟
    • 3.LSE时钟
    • 4.LSI时钟
    • 5.锁相环时钟PLLCLK
    • 6.系统时钟SYSCLK
    • 7.HCLK时钟
    • 8.PCLK1时钟
    • 9.PCLK2时钟
    • 10.RTC时钟
    • 时钟安全系统(CSS)
    • MCO时钟输出
  • 三.讲解时钟系统时钟配置函数
    • 1.STM32上电执行的第一个程序
    • 2.SystemInit系统时钟初始化函数
    • 3.外设时钟的开启
  • 四.自己写系统时钟初始化函数实现超频
    • 1.函数实现
    • 2.实现超频让LED灯闪烁变快
    • 3.实验效果
  • 五.总结

一.什么是时钟

1.什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，相当于单片机的钟超心脏，要想使用单片机的系详解外设必须开启相应的时钟，驱动外设的钟超本质是操作寄存器，而寄存器是系详解由D触发器构成，而触发器需要时钟才能改写值，钟超所以要想操作寄存器必须开启对应外设的系详解时钟。对CPU来说假设CPU在一个时钟周期内执行一条指令(二进制代码)，若时钟频率越高，而时钟等于1/f为频率的倒数，则时钟周期更短则在相同的时间CPU能够执行更多的指，CPU的运行速度更快，文章的后面会有STM32超频实验,让灯闪烁的更快。（后面会详细讲解实验原理）

2.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

二.时钟树

在这里插入图片描述
先粗略看一下时钟图，接下来就是分时钟源一 一详细讲解(重点)，这里以原子的STM32f10RCT6mini板子为例

1.HSE时钟

  • HSE：High Speed External Clock signal，即高速的外部时钟。
  • 来源：无源晶振（4-16M），通常使用8M。
  • 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
  • 控制：HSE晶体可以通过设置时钟控制寄存器里RCC_CR中的HSEON位被启动和关闭，在时钟控制寄存器RCC_CR中的HSERDY位用来指示高速外部振荡器是否稳定。在启动时，直到这一位被硬件置’1’，时钟才被释放出来。
    1.来源：
    在这里插入图片描述
    2.作用
    在这里插入图片描述
    3.控制
    在这里插入图片描述

2.HSI时钟

  • HSI：High Speed Internal Clock signal，高速的内部时钟。
  • 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。
  • 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
  • 控制：时钟控制寄存器中的HSIRDY位用来指示HSI RC振荡器是否稳定。在时钟启动过程中，直到这一位被硬件置’1’，HSI RC输出时钟才被释放。HSI RC可由时钟控制寄存器中的HSION位来启动和关闭。如果HSE晶体振荡器失效，HSI时钟会被作为备用时钟源

1.作用
在这里插入图片描述
2.控制
在这里插入图片描述

3.LSE时钟

  • LSE: low Speed External Clock signal，低速的外部时钟。
  • 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。
  • 作用：直接作为RTC是时钟来源
  • 控制：LSE晶体通过在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSEON位启动和关闭。在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSERDY指示LSE晶体振荡是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬件置’1’后，LSE时钟信号才被释放出来。
    1.作用
    在这里插入图片描述
    2.控制
    在这里插入图片描述

4.LSI时钟

  • LSI: low Speed Internal Clock signal，低速的内部时钟。
  • 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)。
  • 作用：为独立看门狗和自动唤醒单元(RTC)提供时钟
  • 控制：LSI RC可以通过控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSION位来启动或关闭在控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSIRDY位指示低速内部振荡器是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬件设置为’1’后，此时钟才被释放。

1.作用
在这里插入图片描述
2.控制

在这里插入图片描述

5.锁相环时钟PLLCLK

  • 锁相环时钟：PLLCLK
  • 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。
  • 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
  • 控制：寄存器RCC_CFGR：PLLXTPRE、PLLMUL、PLLSRC位,寄存器RCC_CR:PLLNO、PLLRDY详情看下图
  • 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。

1.作用
这个图是重中之重
在这里插入图片描述

6.系统时钟SYSCLK

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

1.来源：在这里插入图片描述
2.控制
在这里插入图片描述
通常的配置是SYSCLK=PLLCLK=72M，配置流程，这里也非常重要后面实验就按照这个过程写代码

在这里插入图片描述

7.HCLK时钟

  • HCLK：AHB高速总线时钟，速度最高为72M。
  • 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）。
  • 来源：系统时钟分频得到，一般设置HCLK=SYSCLK=72M
  • 控制： CFGR：HPRE

1.作用：
在这里插入图片描述

2.控制
在这里插入图片描述

8.PCLK1时钟

  • PCLK1：APB1低速总线时钟，最高为36M。
  • 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。
  • 来源：HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK/2=36M
  • 控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE1位

1.作用
在这里插入图片描述
2.控制
在这里插入图片描述

9.PCLK2时钟

  • PCLK2：APB2高速总线时钟，最高为72M。
  • 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。
  • 来源：HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK=72M
  • 控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE2位

1.作用
在这里插入图片描述
2.控制
在这里插入图片描述

10.RTC时钟

  • RTC时钟：为芯片内部的RTC外设提供时钟。
  • 来源：HSE_RTC（HSE分频得到）、LSE（外部32.768KHZ的 晶体提供）、LSI（32KHZ）。
  • 控制： RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR：RTCSEL位控制

独立看门狗时钟：IWDGCLK，由LSI提供
在这里插入图片描述
控制
在这里插入图片描述

时钟安全系统(CSS)

在这里插入图片描述
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

  • 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…)
  • 来源：PLLCLK/2，HSE、HSI、SYSCLK
  • 控制：CRGR：MCO
    在这里插入图片描述
    这里再奉上完整时钟树
    在这里插入图片描述

三.讲解时钟系统时钟配置函数

1.STM32上电执行的第一个程序

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。
在这里插入图片描述
执行复位程序
1.调用SystemInit系统初始化函数完成系统时钟的配置(配置成72MHZ)
2.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。

在这里插入图片描述

2.SystemInit系统时钟初始化函数

以芯片型号： STM32F10X_HD为例
在这里插入图片描述
这里将系统时钟配置成官方推荐的72MHZ。
步骤：
由外部晶振(HSE)提供的8MHz通过PLLXTPRE分频器不分频，输入到PLLSRC，然后通过PLLMUL锁相环进行9倍频后输出PLLCLK时钟(72MHZ)，然后通过系统时钟切换SW 将PLLCLK作为系统时钟(72MHZ)。然后通过AHB预分频器进行1分频得到AHB总线时钟(HCLK)，然后再分别经过APB1,APB2预分频器分别2分频，1分频，给APB1(PCLK1）APB2(PCLK2)总线提供时钟,进而给分别挂载在APB1,APB2总线的外设提供时钟
配合图来理解：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

还有对条件编译不熟的一定要看->预处理指令不然怎么调用的函数都不知道

重点来了

static void SetSysClockTo72(void){  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;    /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/      /* Enable HSE ：使能 HSE  */  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);   /*  Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */  //等待HSE就绪并做超时处理  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;  }    //启动成功执行下一步的代码  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)  {    /*使能预取指 cpu在FLASH取代码*/    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;    /* Flash 2 wait state ：设置成两个等待周期 */    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;         /* HCLK = SYSCLK =72M */    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;          /* PCLK2 = HCLK =72M */    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;        /* PCLK1 = HCLK =36M */    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2; //二分频    /*  锁相环配置: 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);    /* Enable PLL :使能PLL*/     RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;    /* Wait till PLL is ready :等待PLL稳定*/    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)    {    }        /* Select PLL as system clock source :选择PLL作为系统时钟*/    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 :等待PLLCLK切换为系统时钟*/    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)    {    }  }  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 */		 //如果HSE 启动失败，用户可以在这里添加处理错误的代码  }}

老样子把一些if语句折叠看看函数的整体框架：
在这里插入图片描述
如果HSE启动成功就执行折叠的if语句的内容
在这里插入图片描述
这里由于空间有限实在是不好一个一个去分析寄存器操作，我自己已经一个一个宏跳转然后对应着寄存器看，建议可以一条一条代码对着手册看，看看是不是真的是操作的寄存器的相对应的位

3.外设时钟的开启

到这里就把系统时钟配置完了，还有总线AHB，APB1,APB2的时钟也配置完成，这些总线上挂载的外设的时钟，要使用哪个外设就开启哪个外设的时钟
在这里插入图片描述
这些寄存器的相应位就是对应挂载在总线上的外设时钟使能位。

四.自己写系统时钟初始化函数实现超频

1.函数实现

#include "rccclkconfig.h"void HSE_System_Config( uint32_t RCC_PLLMul_x){		ErrorStatus HSEStatus;	/* 把RCC寄存器配置成复位值 */	 RCC_DeInit();	/* 使能SHE */	RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);	HSEStatus=  RCC_WaitForHSEStartUp();		/* 判断SHE启动是否成功 */	if ( HSEStatus ==SUCCESS )	{		/*使能预取指 cpu在FLASH取代码*/		FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);		/* 设置成两个等待周期 */		FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);				/* HCLK = SYSCLK =72M */    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);				 /* PCLK2 = HCLK =72M */    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);				/* PCLK1 = HCLK =36M */    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);				 /*  锁相环配置: PLLCLK = HSE * x(2-16) = 8*x MHz */    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_x);		 /* 使能PLL*/    RCC_PLLCmd(ENABLE);			 /* 等待PLL稳定 */  while( RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);				/* 选择pLL作为系统时钟 */    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);		 /* 等待PLLCLK切换为系统时钟 */   while( RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) ;		 	}	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 */	}}

代码已有详细注释是用库函数编写的，不过基本与前面寄存器版本的一致，只不过把他们封装成了函数，这里要注意的一点是配置前一定要调用一个 RCC_DeInit();函数把RCC寄存器配置成复位值 。

2.实现超频让LED灯闪烁变快

原理：对CPU来说假设CPU在一个时钟周期内执行一条指令(二进制代码)，若时钟频率越高，而时钟等于1/f为频率的倒数，则时钟周期更短则在相同的时间CPU能够执行更多的指，CPU的执行代码速度更快，延时的时间就会变短，灯就会闪烁的更快。

#define SOFT_DELAY Delay(0x0FFFFF);void Delay(__IO u32 nCount); int main(void){			HSE_System_Config( RCC_PLLMul_2);	/* LED 端口初始化 */	LED_GPIO_Config();	 	while(1)	{      LED_G(NO);      LED_R(OFF);      Delay(0x0FFFFF);      LED_G(OFF);      LED_R(NO);      Delay(0x0FFFFF);		}}void Delay(__IO uint32_t nCount)	 //简单的延时函数{	for(; nCount != 0; nCount--);}

这里为了有更明显的实验效果，先让PLLMUL锁相环进行2倍频后输出PLLCLK时钟(16MHZ)，然后通过系统时钟切换SW将PLLCLK作为系统时钟(16MHZ)。
在这里插入图片描述
然后让PLLMUL锁相环进行16倍频后输出PLLCLK时钟(128MHZ)，然后通过系统时钟切换SW将PLLCLK作为系统时钟(128MHZ)。
在这里插入图片描述

3.实验效果

PLLMUL锁相环二倍频 SYSCLK(16MHZ)实验效果：
请添加图片描述
PLLMUL锁相环二倍频 SYSCLK(128MHZ)实验效果：
请添加图片描述

是不是直接起飞，很糊凑合看叭我不会上传视频唉

五.总结

总而言之时钟树非常重要一定要掌握！！！最好可以自己写一个库函数版的系统时钟初始化函数，好啦本文到这就结束啦，如果本文对你有帮助就赶快收藏点赞叭！！！。

结束语：
最近发现一款刷题神器，如果大家想提升编程水平，玩转C语言指针，还有常见的数据结构（最重要的是链表和队列）后面嵌入式学习操作系统的时如freerots、RT-Thread等操作系统，链表与队列知识大量使用。
大家可以点击下面连接进入牛客网刷题
点击跳转进入网站(C语言方向)
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在这里插入图片描述

作者:休闲
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