STM32單片機的原理詳解 STM32時鐘系統(tǒng)的配置方法

1.概述

時鐘是單片機的脈搏，是單片機的驅動源，使用任何一個外設都必須打開相應的時鐘。這樣的好處是，如果不使用一個外設的時候，就把它的時鐘關掉，從而可以降低系統(tǒng)的功耗，達到節(jié)能，實現(xiàn)低功耗的效果。

每個時鐘tick，系統(tǒng)都會處理一步數(shù)據(jù)，這樣才能讓工作不出現(xiàn)紊亂。

2.原理

首先，任何外設都需要時鐘，51單片機，STM32，430等等，因為寄存器是由D觸發(fā)器組成的，往觸發(fā)器里面寫東西，前提條件是有時鐘輸入。

51單片機不需要配置時鐘，是因為一個時鐘開了之后所有的功能都可以用了，而這個時鐘是默認開啟的，比如有一個水庫，水庫有很多個門，這些門默認是開啟的，所以每個門都會出水，我們需要哪個門的水的時候可以直接用，但是也存在一個問題，其他沒用到的門也在出水，即也在耗能。這里水庫可以認為是能源，門可以認為是每個外設的使用狀態(tài)，時鐘可以認為是門的開關。

STM32之所以是低功耗，他將所有的門都默認設置為disable，在你需要用哪個門的時候，開哪個門就可以，也就是說用到什么外設，只要打開對應外設的時鐘就可以，其他的沒用到的可以還是disable，這樣耗能就會減少。

在51單片機中一個時鐘把所有的都包了，而stm32的時鐘是有分工的，并且每類時鐘的頻率不一樣，因為沒必要所有的時鐘都是最高頻率，只要夠用就行，好比一個門出來水流大小，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，所以不同的時鐘也會有頻率差別，或者在配置的時候可以配置時鐘分頻。

拓展：為何要先配置時鐘，再配置GPIO（功能模塊）

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

任何MCU的任何外設都需要有時鐘，8051也是如此；STM32為了讓用戶更好地掌握功耗，對每個外設的時鐘都設置了開關，讓用戶可以精確地控制，關閉不需要的設備，達到節(jié)省供電的目的。

51單片機不用配置IO時鐘，只是因為默認使用同一個時鐘，這樣是方便，但是這樣的話功耗就降低不了。例如，某個功能不需要，但是它還是一直運行。

stm32需要配置時鐘，就可以把不需要那些功能的功耗去掉。當你想關閉某個IO的時候，關閉它相對應的時鐘使能就是了，不過在51里面，在使用IO的時候是沒有設置IO的時鐘的。

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

3.詳述STM32時鐘

STM32時鐘系統(tǒng)主要的目的就是給相對獨立的外設模塊提供時鐘，也是為了降低整個芯片的耗能。

系統(tǒng)時鐘，是處理器運行時間基準（每一條機器指令一個時鐘周期）

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

系統(tǒng)時鐘SYSCLK 的右邊，則是系統(tǒng)時鐘通過AHB預分頻器，給相對應的外設設置相對應的時鐘頻率。

從左到右可以簡單理解為：

各個時鐘源—>系統(tǒng)時鐘來源的設置—>各個外設時鐘的設置

時鐘源

在STM32中，可以用內部時鐘，也可以用外部時鐘，在要求進度高的應用場合最好用外部晶體震蕩器，內部時鐘存在一定的精度誤差。

準確的來說有4個時鐘源可以選分別是HSI、LSI、HSE、LSE（即內部高速，內部低速，外部高速，外部低速），高速時鐘主要用于系統(tǒng)內核和總線上的外設時鐘。低速時鐘主要用于獨立看門狗IWDG、實時時鐘RTC。

HSI是高速內部時鐘，RC振蕩器，頻率為8MHz，上電后默認的系統(tǒng)時鐘 SYSCLK = 8MHz，F(xiàn)lash編程時鐘。

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

LSI是低速內部時鐘，RC振蕩器，頻率為40kHz，可用于獨立看門狗IWDG、實時時鐘RTC。

LSE是低速外部時鐘，接頻率為32.768kHz的石英晶體。

PLL為鎖相環(huán)倍頻輸出，其時鐘輸入源可選擇為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)時鐘的時鐘源
（網上有很多人說是5個時鐘源，這種說法有點問題，學習之后就會發(fā)現(xiàn)PLL并不是自己產生的時鐘源，而是通過其他三個時鐘源倍頻得到的時鐘）

舉個例子：Keil編寫程序是默認的時鐘為72Mhz，其實是這么來的：外部晶振(HSE)提供的8MHz（與電路板上的晶振的相關）通過PLLXTPRE分頻器后，進入PLLSRC選擇開關，進而通過PLLMUL鎖相環(huán)進行倍頻（x9）后，為系統(tǒng)提供72Mhz的系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）。之后是AHB預分頻器對時鐘信號進行分頻，然后為低速外設提供時鐘。

或者內部RC振蕩器(HSI) 為 8MHz /2 為4MHz，進入PLLSRC選擇開關，通過PLLMUL鎖相環(huán)進行倍頻（x18）后為72MHz。

系統(tǒng)時鐘

系統(tǒng)時鐘SYSCLK可來源于三個時鐘源：
①、HSI振蕩器時鐘
②、HSE振蕩器時鐘
③、PLL時鐘

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時鐘

STM32中有一個全速功能的USB模塊，其串行接口引擎需要一個頻率為48MHz的時鐘源。該時鐘源只能從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，當需要使用USB模塊時，PLL必須使能，并且時鐘頻率配置為48MHz或72MHz。

把時鐘信號輸出到外部

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

系統(tǒng)時鐘通過AHB分頻器給外設提供時鐘（右邊的部分）?重點!!!

從左到右可以簡單理解為:

系統(tǒng)時鐘—>AHB分頻器—>各個外設分頻倍頻器 —> 外設時鐘的設置

右邊部分為：系統(tǒng)時鐘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分頻器輸出的時鐘送給5大模塊使用：

①內核總線：送給AHB總線、內核、內存和DMA使用的HCLK時鐘。

②Tick定時器：通過8分頻后送給Cortex的系統(tǒng)定時器時鐘。

③I2S總線：直接送給Cortex的空閑運行時鐘FCLK。

④APB1外設：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外設使用(PCLK1，最大頻率36MHz)，另一路送給通用定時器使用。該倍頻器可選擇1或者2倍頻，時鐘輸出供定時器2-7使用。

⑤APB2外設：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外設使用(PCLK2，最大頻率72MHz)，另一路送給高級定時器。該倍頻器可選擇1或者2倍頻，時鐘輸出供定時器1和定時器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 預分頻器分頻系數(shù)是 1，則定時器時鐘頻率 (TIMxCLK) 為 PCLKx。否則，定時器時鐘頻率將為 APB 域的頻率的兩倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

APB1 和 APB2對應外設

F4系列：

APB2總線：高級定時器timer1, timer8、通用定時器timer9, timer10, timer11、UTART1,USART6

APB1總線：通用定時器timer2、timer5、通用定時器timer12、timer14、基本定時器timer、timer7、UTART2~UTART5。

F4系列的系統(tǒng)時鐘頻率最高能到168M

具體可以在 stm32f40x_rcc.h 中查看

或者通過 STM32參考手冊搜索“系統(tǒng)架構”或者“系統(tǒng)結構”查看外設掛在哪個時鐘下

RCC相關寄存器

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

以F1系列為例：

RCC 寄存器結構，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等的時鐘源選擇以及分頻系數(shù)設定
 vu32?CIR;??????????//?清除/使能?時鐘就緒中斷
 vu32?APB2RSTR;?????//APB2線上外設復位寄存器
 vu32?APB1RSTR;?????//APB1線上外設復位寄存器
 vu32?AHBENR;???????//DMA，SDIO等時鐘使能
 vu32?APB2ENR;??????//APB2線上外設時鐘使能
 vu32?APB1ENR;????? //APB1線上外設時鐘使能
 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(外部時鐘），正常使用的時候也都是使用外部時鐘

使用HSE時鐘，程序設置時鐘參數(shù)流程：

1、將RCC寄存器重新設置為默認值 RCC_DeInit;

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

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

4、設置AHB時鐘 RCC_HCLKConfig;

5、設置高速AHB時鐘 RCC_PCLK2Config;

6、設置低速速AHB時鐘 RCC_PCLK1Config;

7、設置PLL RCC_PLLConfig;

8、打開PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);

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

10、設置系統(tǒng)時鐘 RCC_SYSCLKConfig;

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

12、打開要使用的外設時鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()

代碼實現(xiàn)

對RCC的配置函數(shù)(使用外部8MHz晶振)  
系統(tǒng)時鐘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);    //使能外部的高速時鐘
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);    //等待外部高速時鐘使能就緒


    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


    //---------打開相應外設時鐘--------------------
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);    //使能APB2外設的GPIOA的時鐘        
}

時鐘監(jiān)視系統(tǒng)