STM32F10x 时钟系统初学总结

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时钟系统

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1.概述
  用通俗的话来说，时钟是单片机的“脉搏”，是单片机的驱动源，使用单片机中的任何一个外设都必须打开此外设相应的时钟。这样的好处是，在不使用某个外设的时候，关闭此时钟外设，从而可以降低系统的总功耗，进而节能，以实现低功耗的效果。
8 X* M5 s: O2 L! q  x  衡量“脉搏”强度的量为xx次/分钟，在单片机中衡量时钟强度的量叫做时钟频率，即 xx 周期/秒，就是我们常说的赫兹 Hz；脉搏（心跳）每跳动一次，就会将血液能量送往全身以供使用，脉搏越快，每分钟输送能量越大，耗能越快；相对应的时钟每发送一个时钟信号，单片机处理一条指令（或一条指令的一部分），频率越高，每秒钟处理指令越多，耗能相应越快。

4 k, S- {2 I+ W& a# J' m% c8 v( T2.原理
: q* x- e) }8 V9 ?% i  由时钟源（晶体振荡器等）产生时钟信号，该时钟信号经过分频/倍频后作为系统时钟，系统时钟经分频/倍频后作为各个外设的频率；在时钟信号发出后，单片机内部各部分收到了来自时钟的信号，执行指令（类似于触发器，由电平高低触发）。系统时钟，是处理器运行时间基准（每一条机器指令一个时钟周期）。这样每个时钟 tick 系统都会处理一步指令，这样使得工作一步一步，不会出现紊乱。所以频率越高，每秒钟处理指令数越多，速度越快。（此处为理想情况，不考虑其他外接设备造成的“木桶效应”）
  时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行指令。以 Pentium 4 2.0 为例，它的工作主频为 2.0GHz，具体来说，2.0GHz 意味着每秒钟它会产生 20 亿个时钟脉冲信号，每个时钟信号周期为 0.5 纳秒。而 Pentium 4 CPU 有 4 条流水线运算单元，如果负载均匀的话，CPU 在 1 个时钟周期内可以进行 4 个二进制加法运算。这就意味着该 Pentium 4 CPU 每秒钟可以执行 80 亿条二进制加法运算。

( P. s$ H. K7 J9 j3.STM32时钟概述
+ f: r$ w" m0 _! [4 x7 l; r% H  STM32 本身十分复杂，外设非常多，但是在我们实际使用的过程中往往不会用到所有的外设，如果将全部外设都开启，就会造成浪费，加大耗能；所以在实际情况下，STM32 的外设时钟是独立的，可以控制使能或除能，即“打开”需要用到的外设，不用的外设是默认“关闭”的。
/ N& u% p) }: h2 X  Q; E  使用任何外设都需要时钟才能启动，但是不同的外设所需要的时钟频率不同，都是用低速无法满足需求，都是用高速又会造成浪费。一个单片机内提供多个不同的系统时钟，可以适应更多的应用场合。不同的功能模块会有不同的时钟上限，因此提供不同的时钟，也能在一个单片机内放置更多的功能模块。对不同模块的时钟增加开启和关闭功能，可以降低单片机的功耗。并且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的 MCU 都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。所以便有了 STM32 复杂的时钟系统和时钟树。主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，也是为了降低整个芯片的耗能。

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STM32系统框图

: |( }. k1 r0 r% _图 1-stm32f10x 系统时钟框架图

     图 2-stm32f10x 系统时钟框架图-官方数据手册版

! b/ ]4 {. u; K- Z! t/ B1.时钟源
. M; @# G# W' l+ j   stm32f10x 时钟系统总共有四个时钟源：HSE、LSE、HSI、LSI 和 PLL，其中 PLL 是由时钟信号输入再进行倍频，间接产生时钟信号，另外四个时钟源为石英晶振或 RC 振荡器，直接产生时钟信号；芯片内的其他时钟都是通过以上五个时钟源分频或倍频得来；图 1 中为蓝色方块。
(1)HSE（External high-speed clock）
2 {2 [) l( c: _- t  HSE Osc，高速外部时钟信号，可接晶体/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为 4MHz-16MZh；通常选用 8MHz 的晶振；
(2)LSE（External low-speed clock）
  h! U8 @8 C" t4 r! R  LSE Osc，低速外部时钟，接频率为 32.768MHz 的石英晶体，为实时时钟或其他定时器时钟提供一个低功耗且准确的时钟源；
(3)HSI（Internal high-speed clock）
  A2 i, o- `  S& }7 k! j  HSI RC，高速内部时钟，RC 振荡器，频率为 8MHz，精度较于晶体/陶瓷谐振器较低。
(4)LSI（Internal low-speed clock）
$ y3 _6 d0 {+ T$ [  LSI RC，低速内部时钟，RC 振荡器，频率为 40KHz，可以在停机和待机模式下保持运行。
(5)PLL（Phase Locked Loop）
  PLL，锁相环倍频输出，时钟输入源可选择为 HSI/2、HSE 或者 HSE/2；可选择 16 种倍频 1-16；输出为锁相环倍频输出时钟（PLLCLK，最大 72MHz）。
2.选择器
) j* y( r. q( z3 l  stm32f10x 芯片时钟系统中，共有 5 个频率选择器：PLLXTPRE、PLLSRC、SW、MCO、RTCSEL，功能为从多个输入时钟源中选择一个作为选择器输出；图 1 中为灰色梯形
7 a( Y4 f* b. U; Z- E(1)PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry）
   PLLXTPRE，HSE 分频器作为 PLL 输入；选择 HSE 不分频或 HSE 二分频输出到 PLLSRC。
; o/ [! X0 a2 @: ~  S7 L$ @(2)PLLSRC（PLL entry clock source）
" v  y& f5 n1 ]; k6 B   PLLSRC，PLL 输入时钟源，选择 HSI 经二分频或者 PLLXTPRE 输出时钟作为输出时钟到 PLL；
(3)SW（System clock switch）
   SW，系统时钟切换，选择 HSI 或 HSE 或 PLL 输出作为系统时钟；
( b2 z4 [* p3 k0 a- |4 c(4)MCO（Microcontroller clock output）
8 {  H7 t+ v2 e& [) l- z   MCO，微控制器时钟输出，选择不输出、系统时钟(SYSCLK)输出、内部 RC 振荡器时钟(HSI)输出、外部振荡器时钟(HSE)输出或 PLL 时钟 2 分频后输出。
: ?( i2 y* T; g! H# H# x+ F(5)RTCSEL（RTC clock source selection）
1 `* m; ^, e; z  v1 u# Y% m   RTCSEL，RTC 时钟源选择，无时钟、LSE 振荡器作为 RTC 时钟、LSI 振荡器作为 RTC 时钟、HSE 振荡器在 128 分频后作为 RTC 时钟。
# z8 a% p, Q$ [' S" I+ N& @' M3.（预）分频器/"倍频器"
1 H7 X" Z2 @$ D. ~9 o- B% B( O stm32f10x 芯片时钟系统中，可供设置选择分频系数的共有 5 个预分频器和 2 个倍频器；5 个预分频器：AHB prescaler、APB1 prescaler、APB2 prescaler、ADC prescaler、USB prescaler；2 个倍频器：TIM2,3,4 Multiplier、TIM1 Multiplier；功能是将输出时钟频率倍频或分频后输出；图 1 中为绿色方形。
(1)AHB prescaler
- t1 ~; K& c! G   AHB prescaler，AHB 预分频，系统时钟（SYSCLK）作为输入经过分频后输出，输出作为 AHB 总线时钟（HCLK，最大 72MHz）；分频因子为 1、2、4、8、16、32、64、128、256、512。
(2)APB1 prescaler（APB low-speed prescaler）
   APB1 prescaler，低速 APB 预分频，AHB 总线时钟（HCLK）作为输入经过分频后输出，输出作为低速外设总线时钟（PCLK1，最大 36MHz）；分频因子为：1、2、4、8、16。
(3)APB2 prescaler（APB high-speed prescaler）
   APB2 prescaler，高速 APB 预分频，AHB 总线时钟（HCLK）作为输入经过分频后输出，输出作为高速外设总线时钟（PCLK2，最大 72MHz）；分频因子为：1、2、4、8、16。
0 V+ Y, t8 k) s. l(4)ADC prescaler
) F7 r' E  y/ `- {/ j   ADC prescaler，ADC 预分频，高速外设总线时钟（PCLK2）作为输入经过分频后输出，输出作为 ADC 时钟（ADCCLK）；分频因子为：2、4、6、8。
(5)USB prescaler
( k7 w. `: T2 b' i  n   USB prescaler，USB 预分频，锁相环输出时钟（PLLCLK，48MHz 或 72MHz）作为输入经过分频后输出，输出作为 USB 时钟（USBCLK，固定为 48MHz）；分频因子为：1、1.5；若 PLLCLK 为 48MHz 则分频因子选择 1，否则选择 1.5，保证分频后输出为 48MHz。
4 V; O( Q  I! _1 {2 E2 d) k6 @(6)TIM2,3,4 Multiplier
   TIM2,3,4 Multiplier，TIM2，3，4 倍频器，低速外设总线时钟（PCLK1）作为输出经过倍频后输出，输出作为通用定时器时钟（TIMxCLK）；根据 APB1 预分频系数进行倍频，预分频系数为 1 则倍频系数为 1，否则为 2；
(7)TIM1 Multiplier
   TIM2,3,4 Multiplier，TIM1 倍频器，高速外设总线时钟（PCLK2）作为输出经过倍频后输出，输出作为 TIM1 时钟（TIM1CLK）；根据 APB2 预分频系数进行倍频，预分频系数为 1 则倍频系数为 1，否则为 2；
, v) d; O& r% G/ V附
时钟安全系统
; e% Z6 ]3 D) P2 d stm32f10x 芯片时钟系统中，CSS 作为时钟安全系统，使用时钟监测器监测 HSE 时钟，如果 HSE 时钟发生故障，HSE 时钟将会被自动关闭，失效时间会被送入高级定时器并产生时钟安全中断 CSSI，同时时钟故障将导致系统时钟自动切换到 HSI 振荡器；CSS 作用就是监测 HSE 振荡器的正常运行，能够在 HSE 出故障时，及时调整系统时钟源保证系统正常运作；图 1 中为黄色方形。
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STM32F10X时钟控制

8 U; q9 e, x8 G; z1.控制概述
  STM32F10x 芯片的时钟控制主要包括以下几个方面知识；系统时钟源的选择、系统时钟频率的配置、总线时钟的配置、总线设备时钟的使能/除能；
  (1)系统时钟源的选择：系统时钟源为 SYSCLK，由 SW(系统时钟切换)选择时钟源来作为系统时钟 SYSCLK，可供选择的输入时钟有 HSE、HSI、PLLCLK（PLL 输出）；
1 i% P6 g1 e$ Z) l+ p2 g4 t  (2)系统时钟频率的配置：选择 SW(系统时钟切换)的 3 个输入时钟源的其中一个的时钟频率作为系统频率;HSI 则是 HSI RC 的频率,通常为 8MHzLLCLK 作为系统时钟频率时,需要根据 PLLXTPRE 和 PLLSRC 两个选择器的输出经 PLL 倍频后作为系统时钟频率,通常为 8MHz；HSE 直接作为系统时钟频率使用相对较少；
和 SW 三个选择器和 PLL 倍频器来控制，输入时钟源经 PLL 倍频后输出作为 SW(系统时钟切换)的其中一项输入，再经过 SW 选择后作为 SYSCLK(系统时钟)；
3 m0 k% D: Q4 ~4 b2 v   (3)总线时钟的配置：AHB 总线，输入时钟源 SYSCLK 经 AHB 预分频器分频后输出，输出为 HCLK，高性能总线供给时钟；APB1 低速外设总线，输入时钟源 HCLK 经 APB1 分频器预分频后输出，输出为 PCLK1，低速外设总线时钟；APB2 高速外设总线，输入时钟源 HCLK 经 APB2 分频器预分频后输出，输出为 PCLK2，高速外设总线时钟；
( N/ B( @* L( j, h6 ^+ @6 L   (4)总线设备时钟的使能/除能：主要是外设总线 APB1 和 APB2 的使能/不使能，时钟初始化默认是不使能，如果要使用外设，则需要打开外设对应的时钟；
   即在使用STM32F10x之前需要先进行时钟系统的相关配置，也就是时钟初始化，在工程文件中会在启动时进行一个默认的初始化SystemInit()，使用者在初始化完成后在进行所需的个性配置；默认配置是在启动时系统操作寄存器来进行配置，寄存器配置相对麻烦，所以在使用者进行个性化设置时，是使用库函数直接配置。
; P& ~7 [3 y+ H, b/ L2.时钟初始化
2 V& N5 A" H7 ]1 A* T+ o* c) b  初始化时钟系统时，在工程文件 system_stm32f10x.c 中通过 SystemInit()和 SetSysClock()两个函数进行初始化，使用的是寄存器操作的方法来初始化时钟系统；因为是直接操作寄存器，所以初始化过程非常复杂，以下是这两个函数的解析，仅供学习、参考用（以 STM32F103C8T6 为例）；可跳过，直接看如何通过库函数配置即可。
' m5 i  R6 ~8 d% i$ V$ A   SystemInit()，启动芯片，将系统频率设置为8MHz，关闭所有外设；具体操作为：启动内部时钟源 HSI RC（8MHz）作为系统时钟、配置总线时钟预分频器和外设总线时钟预分频器、配置 ADC 预分频器和定时器预分频器/倍频器、微控制器时钟不输出、关闭 HSE Osc、关闭 CSS 时钟监视系统、PLL 不使能、配置 PLLXTPRE、PLLSRC、PLL 输出、USB 预分频、关闭时钟中断使能(LSI、LSE、HSE、HSI、PL 就绪中断使能)、清除中断标志位（LSI、LSE、HSE、HSI、PLL就绪）、清除安全系统时钟中断.
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总结

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01

常用寄存器

   AHBENR寄存器：DMA，SDIO等时钟使能；
   APB1ENR寄存器：APB1总线上外设时钟使能；
: z; e8 s' [, K- v5 M   APB2ENR寄存器：APB2总线上外设时钟使能；
   CR寄存器：HSI，HSE，CSS，PLL等的使能和就绪标志位，因为有些时钟源刚使能完不一定能马上稳定，需要等一段时间，当稳定之后就会在该寄存器相应的位置位，通过查看寄存器的值就可以知道该时钟源是否已经稳定；
   CFGR寄存器：时钟源的选择和分频系数的设定。

02

常用库函数

  时钟使能配置函数:
RCC_LSEConfig()、RCC_HSEConfig()、RCC_HSICmd()、RCC_LSICmd()、RCC_PLLCmd()
  时钟源相关配置函数：
RCC_PLLConfig ()、RCC_SYSCLKConfig()、RCC_RTCCLKConfig()
  分频系数选择配置函数：
  a! f/ y5 I+ f3 Y9 qRCC_HCLKConfig()、RCC_PCLK1Config()、RCC_PCLK2Config()
0 v! |& t8 F& H  外设时钟使能函数：
, ]4 q3 W4 m4 s# p3 n6 WRCC_APB1PeriphClockCmd()、RCC_APB2PeriphClockCmd()、RCC_AHBPeriphClockCmd();
  其他外设时钟配置：
RCC_ADCCLKConfig ()、 RCC_RTCCLKConfig();
  状态参数获取参数：
RCC_GetClocksFreq()、RCC_GetSYSCLKSource()、RCC_GetFlagStatus()
: y$ r- {8 B+ Y  RCC中断相关函数 :
RCC_ITConfig()、RCC_GetITStatus()、RCC_ClearITPendingBit()

写在最后

STM32的时钟系统确实是很复杂，不仅有倍频，分频，还有一系列的外设时钟开关。倍频是考虑到了电磁兼容性，如果外部直接提供一个72MHz的晶振，太高的震荡频率会给电路板的制作带来一定的难度。分频则是因为STM32既有高速外设，也有低速外设，各外设的工作频率不相同，需要分开来管理。最后，每个外设时钟还有自己独立的开关（在图上可以看到，在外设时钟之前需要经过一个与门，这就是它们的开关）在我们不使用该外设时，需要把时钟关闭以减少STM32的功耗。
  STM32为了实现低功耗，将所有的外设时钟都默认设置为不使能（disable），用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，其他的没用到的可以还是不使能（disable），这样耗能就会减少，这就是为什么不管你配置什么功能都需要先打开对应的时钟的原因。

文章出处：AI Robot Studio
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