STM 32 时钟系统

众所周知,时钟系统是 CPU 的脉搏,就像人的心跳一样。所以时钟系统的重要性就不言而喻了。STM32 的时钟系统比较复杂,不像简单的 51 单片机一个系统时钟就可以解决一切。于是有人要问,采用一个系统时钟不是很简单吗?为什么 STM32 要有多个时钟源呢?

因为首先STM32 本身非常复杂,外设非常的多,但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率,比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路,时钟越快功耗越大,同时抗电磁干扰能力也会越弱,所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

一、 STM32 的时钟系统图:

这里写图片描述
在 STM32 中,有五个时钟,为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

1、时钟分类

时钟频率可分为高速时钟源和低速时钟源,在 5 个中 HSI、HSE 以及PLL是高速时钟。LSI 和 LSE 是低速时钟。

来源可分为外部时钟源和内部时钟源,外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源,其中 HSE 和 LSE 是外部时钟源,其他的是内部时钟源。

2、时钟源简介

1)
①、HSI 是高速内部时钟,RC 振荡器,频率为 8MHz。
②、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。我们的开发板接的是 8M 的晶振。
③、LSI 是低速内部时钟,RC 振荡器,频率为 40kHz。独立看门狗的时钟源只能是 LSI,同时 LSI 还可以作为 RTC 的时钟源。
④、LSE 是低速外部时钟,接频率为 32.768kHz 的石英晶体。这个主要是 RTC 的时钟源。
⑤、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。

2)
A. MCO 是 STM32 的一个时钟输出 IO(PA8),它可以选择一个时钟信号输出,可以选择为 PLL 输出的 2 分频、HSI、HSE、或者系统时钟。这个时钟可以用来给外部其他系统提供时钟源。

B. 这里是 RTC 时钟源,从图上可以看出,RTC 的时钟源可以选择 LSI,LSE,以及HSE 的 128 分频。

C. 从图中可以看出 C 处 USB 的时钟是来自 PLL 时钟源。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,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。

D. D 处就是 STM32 的系统时钟 SYSCLK,它是供 STM32 中绝大部分部件工作的时钟源。系统时钟可选择为 PLL 输出、HSI 或者 HSE。系统时钟最大频率为 72MHz,当然你也可以超频,不过一般情况为了系统稳定性是没有必要冒风险去超频的。

E. 这里的 E 处是指其他所有外设了。从时钟图上可以看出,其他所有外设的时钟最终来源都是 SYSCLK。SYSCLK 通过 AHB 分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括:
①、AHB 总线、内核、内存和 DMA 使用的 HCLK 时钟。
②、通过 8 分频后送给Cortex的系统定时器时钟,也就是systick了。
③、直接送给 Cortex 的空闲运行时钟 FCLK。
④、送给 APB1 分频器。APB1 分频器输出一路供 APB1 外设使用(PCLK1,最大频率 36MHz),另一路送给定时器(Timer)2、3、4 倍频器使用。
⑤、送给 APB2 分频器。APB2 分频器分频输出一路供 APB2 外设使用(PCLK2,最大频率 72MHz),另一路送给定时器(Timer)1 倍频器使用。

其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的区别:
APB1 上面连接的是低速外设,包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3 等等;APB2 上面连接的是高速外设包括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、所有普通 IO 口(PA~PE)、第二功能 IO 口等。居宁老师的《稀里糊涂玩 STM32》资料里面教大家的记忆方法是 2>1, APB2 下面所挂的外设的时钟要比 APB1 的高。

在以上的时钟输出中,有很多是带使能控制的,例如 AHB 总线时钟、内核时钟、各种 APB1外设、APB2 外设等等。当需要使用某模块时,记得一定要先使能对应的时钟。后面我们讲解实例的时候回讲解到时钟使能的方法。

STM32 时钟系统的配置除了初始化的时候在 system_stm32f10x.c 中的 SystemInit()函数中外,其他的配置主要在 stm32f10x_rcc.c 文件中,里面有很多时钟设置函数,大家可以打开这个文件浏览一下,基本上看看函数的名称就知道这个函数的作用。在大家设置时钟的时候,一定要仔细参考 STM32 的时钟图,做到心中有数。这里需要指明一下,对于系统时钟,默认情况下是在 SystemInit 函数的SetSysClock()函数中间判断的,而设置是通过宏定义设置的。我们可以看看 SetSysClock()函数体:

static void SetSysClock(void)
{
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
    SetSysClockToHSE();
#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz
    SetSysClockTo24();
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
    SetSysClockTo36();
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
    SetSysClockTo48();
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
    SetSysClockTo56();
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
    SetSysClockTo72();
#endif
}

这段代码非常简单,就是判断系统宏定义的时钟是多少,然后设置相应值。我们系统默认宏定义是 72MHz:

#define SYSCLK_FREQ_72MHz 72000000

如果你要设置为 36MHz,只需要注释掉上面代码,然后加入下面代码即可:

#define SYSCLK_FREQ_36MHz 36000000

同时还要注意的是,当我们设置好系统时钟后,可以通过变量 SystemCoreClock 获取系统时钟值,如果系统是 72M 时钟,那么 SystemCoreClock=72000000。这是在 system_stm32f10x.c 文件
中设置的:

#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
    uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_HSE;
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
    uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_36MHz;
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
    uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_48MHz;
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
    uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_56MHz;
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
    uint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_72MHz;
#else
    uint32_t SystemCoreClock = HSI_VALUE;
#endif

这里总结一下 SystemInit()函数中设置的系统时钟大小:

SYSCLK(系统时钟) =72MHz
AHB 总线时钟(使用 SYSCLK) =72MHz
APB1 总线时钟(PCLK1) =36MHz
APB2 总线时钟(PCLK2) =72MHz
PLL 时钟 =72MHz

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