【经验分享】STM32H7的电源，复位和时钟系统

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STMCU小助手发布时间：2021-12-20 17:00

技术帖
文章封面:
文章简介:	电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。

14.1 初学者重要提示
1、电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。

2、电源管理部分最繁琐的就是CPU，D1，D2，D3域的各种运行，待机，停机状态切换，这部分知识点也放在后面低功耗章节学习。

14.2 电源
电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。

14.2.1 电源供电
学习STM32H7的电源供电，往往被一堆电源标识Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，这些标识整明白了，电源供电部分也就理解了，首先看下面的框图：

aHR0cHM6Ly9pbWcyMDE4LmNuYmxvZ3MuY29tL2Jsb2cvMTM3OTEwNy8yMDE5MDQvMTM3OTEwNy0yMDE5.png

这些常用标识的解释如下：

对于电源供电部分了解了这些知识点就够用。

14.2.2 系统上电启动
系统上电到程序开始运行期间，H7都做哪些工作，一张时序图可以说明问题：

对于上面的截图，主要看Operating mode部分，依次是Power down –> Reset -> Wait Oscillator ->HW system init -> Run -> Wait ACTVOS RDY –> Run，即断电状态 -> 复位状态 -> 等待HSI就绪->硬件初始化 -> 运行 -> 等ACTVOS位就绪 -> 正式运行。

详细些的执行流程如下：

  当系统上电后，POR（Power on reset 上电复位）会检测VDD供电，当VDD大于POR设置的阀值时，将使能电压稳压器，注意看VDD那条线的变化。
  看VCORE那条曲线，只要VOSRDY未就绪，就会一直处于复位状态。
  一旦VCORE正常输出，系统将走出复位状态，内部高速RC振荡器HSI将使能。
  HSI稳定后，将开始系统初始化，主要是Flash和可选字节的加载，这些都是由硬件完成的，CPU也将以受限的方式运行（主要是指不允许对RAM进行写操作）。
  软件程序初始化系统，包括供电配置。当供电配置完成后，等待ACTVOSRDY位置1，完成置1后，CPU就进入正常的运行的模式，允许读写RAM了。
14.2.3 电源管理
关于电源管理部分，H7参考手册中讲解的还挺复杂的，当前阶段我们仅需了解几个重要的工作状态即可，看到这几个单词了要认识，因为官方文档中多处要用这几个标识。

为了实现各种低功耗模式，CPU和D1，D2，D3域支持的各种模式如下：

  CPU模式
CRun：运行状态，CPU和CPU子系统外设正常运行。

CSleep：休眠状态，CPU时钟停止运行，CPU子系统外设正常运行。

CStop：停止状态，CPU和CPU子系统外设都停止运行。

  D1域模式
DRun：运行状态，D1域的总线矩阵正常运行，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。

DStop：停机状态，D1域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。

DStandby：待机状态，D1域的总线矩阵断电，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

  D2域模式
DRun：运行状态，D2域的总线矩阵正常运行，CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。

DStop：停机状态，D2域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStop模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。

DStandby：待机状态，D2域的总线矩阵断电，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStandby模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

  系统/D3域模式
Run：运行状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于运行状态。CPU子系统处于CRun和CSleep模式，或者一个唤醒信号处于激活状态。

Stop：停止状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于停止状态，CPU子系统处于CStop模式。所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且至少某个域的一个PDDS_Dn位选择了Stop模式。

Standby：待机状态，系统处于断电状态，CPU子系统处于CStop模式，所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且所有域的所有PDDS_Dn位选择Standby模式。

14.2.4 电源去耦电容的选择
每个电源对（VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。

14.3 硬件复位
所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟电路驱动的。这种电路被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。

所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。

当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。

如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。

' Q6 q+ O, z' M# K% p: x* C14.3.1 上电复位和手动复位
STM32H7开发板的硬件复位原理图如下：

  STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态。
  R173单的RC复位电路。当系统上电瞬间，C114电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过R173给C114充电，当C114的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
  在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
  当按下S4轻触开关时，C114两端被短路接地，可实现手动复位CPU。

14.3.2 复位序列
前面第11章的13.3.1小节讲解了复位系列的相关知识，再结合本章节的上电复位和下电复位，大家会对其有一个较全面的认识，更多复位序列的知识直接看13.3.1小节即可。

14.4 软件复位
除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm7.h文件提供，函数如下：

/**
; `- T: z* n. r
\brief System Reset' O' J* E% e$ O' I
\details Initiates a system reset request to reset the MCU.! d0 x' m1 h! W! j
*/
* r$ k6 I f+ i! ~- M1 G6 m6 J, y
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
0 [# c1 Q6 h7 H. d/ F1 @3 p
{
" R( W$ l# W1 P4 d! v
__DSB(); /* Ensure all outstanding memory accesses included# \2 s/ D; Q6 l. W! R$ _$ H
buffered write are completed before reset */2 o& G; m0 ?8 k
SCB->AIRCR = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |4 D( e% p7 K4 [
(SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |, Z0 p7 x) _" o! P5 t
SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk ); /* Keep priority group unchanged */% K" i5 B& U3 M
__DSB(); /* Ensure completion of memory access */
3 g7 k. r( I. ~# R+ f8 i3 M
/ {7 [, l4 j( ?) [
for(;;) /* wait until reset */8 A6 U5 ~4 }7 Y8 j- N# n4 b3 s
{
; k" e5 a7 [0 ^) g$ a9 j7 _* m3 R% j
__NOP();
$ d. q$ M' l0 ?7 i# c
}) ^/ h) y: U. @/ j7 T5 q# p
}

复制代码

软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：

14.5 RCC时钟控制
STM32H7有如下六种时钟可供使用：

  HSI (High-speed internal oscillator) ：
HSI是内部的高速RC振荡器，频率64MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。

  HSE (High-speed external oscillator):
HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-48MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。

  LSE (Low-speed external oscillator)
LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。

  LSI (Low-speed internal oscillator)
LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。

  CSI (Low-power internal oscillator)
CSI是内部的低速振荡器，频率约是4MHz，相比64MHz的HSI，主要用于低功耗。

; t$ U( a6 y4 ?5 y  HSI48 (High-speed 48 MHz internal oscillator)
HSI48是内部高速振荡器，频率约是48MHz，用于给特定的外设提供时钟，比如USB。

通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：

14.5.1 HSE和LSE硬件设计
HSE时钟
当前V7开发板是用的25MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：

晶振和负载电容需要尽可能近地靠近H7的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。

对于C15和C17，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C15和C17通常具有相同的值。

这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：当前V7板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到48MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：

而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-50MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：

LSE时钟
当前V7开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：

14.5.2 时钟配置
STM32H7开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到400MHz的主频。

第1步：在stm32h7xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE
配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。

#if !defined (HSE_VALUE)
7 @8 O- T M' C
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */ : T/ g n2 ~6 L* ]8 y; K9 M" \
#endif /* HSE_VALUE */

复制代码

第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32h743xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。

Reset_Handler PROC
! K9 P) U. I7 m
EXPORT Reset_Handler [WEAK], Z" l! D4 ]# V& H; w( h; Z
IMPORT SystemInit
* R+ m! b. E% a: t3 I" |- y( `
IMPORT __main
; M( P0 j! O) N/ `; ~( n- n
! Z# K, F+ z/ s2 E1 E
LDR R0, =SystemInit, n, B4 Y9 X4 K6 c
BLX R08 G4 \7 ]% i3 Q) a5 Z, L' d
LDR R0, =__main
& g, S/ f6 W( E4 Z1 d
BX R0; o/ Y2 E* x4 Q2 b7 A
ENDP

复制代码

以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：

1. /**
s7 E' ^1 G& @2 [% w2 ^! A& X& L
2. * @brief Setup the microcontroller system
7 S/ e, j! u. Z
3. * Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
: P- X! ~8 G2 Z8 N
4. * configuration.2 U3 n! j4 z. K/ V( ? h( p4 Q9 f
5. * @param None0 }! U8 U {! F# T$ s! D. p0 N) l
6. * @retval None
. x$ K: E+ F S9 X" r3 B* n1 T
7. */! c$ v: `# ~. U8 a& {6 L
8. void SystemInit (void)
& U" v4 M! g4 [3 {9 v7 _
9. {
: ], P- x0 c6 ? D0 \& ^8 `$ a7 D5 T
10. /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
) Q, B5 i0 i8 S, i2 s
11. #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)) I; b, M3 t; D. \
12. SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */6 g* g% N# H, K: s9 U f% C
13. #endif
3 B9 E! ]$ v# W* h3 I% U" d7 s' t. u
14. /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
: E Y C$ b9 e$ {
15. /* Set HSION bit */' _8 p5 ?4 L3 W& B7 u
16. RCC->CR |= RCC_CR_HSION;8 d. L! J! |5 p2 X. C9 m
17. . L8 R, l5 L+ Z
18. /* Reset CFGR register */
v) \0 e5 B6 T m1 O4 c( R
19. RCC->CFGR = 0x00000000;/ }9 u6 ]2 D" e+ I- C
20.
6 @8 k% }- G7 c# P$ l
21. /* Reset HSEON, CSSON , CSION,RC48ON, CSIKERON PLL1ON, PLL2ON and PLL3ON bits */
/ `7 f. T+ O* |3 q- V
22. RCC->CR &= (uint32_t)0xEAF6ED7F;
/ U, P! X5 |% L4 Y* d4 A- ?, B# V
23.
9 u; H1 H3 ^& |. ?4 J4 D
24. /* Reset D1CFGR register */$ H4 r. J2 B$ N$ K
25. RCC->D1CFGR = 0x00000000;+ \6 o4 Q! g" |: w; m7 f) M! U3 D, j0 J6 ^
26.
% N- X/ c2 J# @2 i% e$ m2 I* q
27. /* Reset D2CFGR register */
1 Q6 m; ?) k! E: v# N. Z( U0 t
28. RCC->D2CFGR = 0x00000000;! V; l1 O- m. _- |% a# E: H
29.
# X( r, w4 `6 ~( ~
30. /* Reset D3CFGR register */0 Z1 _* o o+ x
31. RCC->D3CFGR = 0x00000000;
! a" t5 v: p- ~! i
32.
% H4 a7 D; o, U! C& I
33. /* Reset PLLCKSELR register */' m x" {8 [6 P
34. RCC->PLLCKSELR = 0x00000000;7 R3 O% x/ x: ?' }
35.
( @/ F( g, a, D( b- ?& p9 X8 v
36. /* Reset PLLCFGR register */
# [2 Q' Y" W/ [+ l
37. RCC->PLLCFGR = 0x00000000;
: u* h" E' ]0 l7 I6 \# |
38. /* Reset PLL1DIVR register */3 }4 U" R2 ?) ]( Z6 i
39. RCC->PLL1DIVR = 0x00000000;
/ L) W0 F' T: O. m& _ C
40. /* Reset PLL1FRACR register */
- M6 s4 h) {, r
41. RCC->PLL1FRACR = 0x00000000;
: @$ a0 c. l+ ?
42. $ l. i7 ~( @2 t3 E7 U
43. /* Reset PLL2DIVR register */
' v0 Z1 D8 L" N7 ]5 h3 a. v! A
44. RCC->PLL2DIVR = 0x00000000;
" d ]/ K" c- Q( \: y
45.
7 u" I$ y) h/ P3 C4 h
46. /* Reset PLL2FRACR register */ N4 R9 ?7 g; @8 T& h& }, j, Z4 V
47.
6 _8 {# Q8 S4 [* L' K( C5 q4 M
48. RCC->PLL2FRACR = 0x00000000;
" w( q ` I! I+ C, q
49. /* Reset PLL3DIVR register */1 s( z8 U. a4 Y4 j
50. RCC->PLL3DIVR = 0x00000000;
6 v# @' i0 |- f; e; C9 k
51. 9 N3 Q: `0 A% ^& _* ? s
52. /* Reset PLL3FRACR register */
/ a0 ~ x, [! i. \$ _- S/ F0 }
53. RCC->PLL3FRACR = 0x00000000;
1 O a! }5 Q+ F
54. * T) T) i5 m) ?. s. V! l
55. /* Reset HSEBYP bit */* D6 H( V/ _. h: t
56. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
~) @ b3 z' n5 Z9 C+ ?! f
57. 2 |' P8 z# X% @+ P" S
58. /* Disable all interrupts */
9 C* j, R* {6 Z$ L! C
59. RCC->CIER = 0x00000000;! U- T+ [* u w# w0 a! Y5 c
60. $ v( \; ^! i# g* O7 y! Q" i: H! M
61. /* Change the switch matrix read issuing capability to 1 for the AXI SRAM target (Target 7) */
[: E+ Q, A$ A* G! i
62. *((__IO uint32_t*)0x51008108) = 0x00000001;0 [+ i! l! x; b1 C* s
63. * {, l. O) y" g* x5 o
64. #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)* \9 |& W2 m& `
65. SystemInit_ExtMemCtl();% F& D# k* R" k
66. #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
/ K6 |0 B, f D* n# v
67. : [9 C1 K% D, o5 |- D% |" s6 e
68. /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
+ ]9 b9 p5 r' V( h3 \ ~
69. #ifdef VECT_TAB_SRAM
9 K" m! ^, c6 s/ r, i
70. SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal ITCMSRAM */
+ f( k# o. q6 w- P/ f/ z& O! i
71. #else
. S9 m% Y. `7 y4 p
72. SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */. {8 K! ^, s) q2 d; y! B
73. #endif. }5 n; [4 A9 y
74.
- Y' P3 O. c4 c$ I' G
75. }

复制代码

第12行：使能FPU单元。

第16 – 59行：复位RCC相关寄存器。

第69 – 73行：设置中断向量表的位置。

第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到400MHz。
14.6 总结
本章节就为大家讲解这么多，本章节的知识点相对比较多，比较杂，不容易一下子都掌握了。随着后面章节的进行，还会深入的讲解这些知识点。