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收藏:详解STM32的时钟系统

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STMCU-管管 发布时间:2021-5-24 12:35
STM32的时钟树
* w: H% Q( }. e$ T- O0 k
% L& u$ d! j$ z    时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令,时钟就像人的心跳一样。
; M, H1 k  b. c; F3 Q
7 Z& r7 |! X0 b6 `2 T" i9 k

" f7 b, z8 t0 S# {& x% O    STM32本身十分复杂,外设非常多,任何外设都需要时钟才能启动,但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率,如果都用高速时钟势必造成浪费。同一个电路,时钟越快功耗越大、抗电磁干扰能力越弱。复杂的MCU采用多时钟源的方法来解决这些问题。如下图,是STM32的时钟系统框图。! l7 {# ^+ {  K
2.png
    如上图左边的部分,看到STM32有4个独立时钟源,HSI、HSE、LSI、LSE。
& j' \/ J. i0 S4 E3 HHSI是高速内部时钟,RC振荡器,频率为8MHz,精度不高。
' L: K8 h. V9 k3 Q  @% i0 T& X$ N
6 |6 }1 N* M; }  q* n
2 `4 q* b' ~- y: r
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。
, x7 X% I) U# f: W
- Q# p4 K( ]! B! {. t0 _
+ w9 E& [3 H/ M$ G$ H9 f( T
LSI是低速内部时钟,RC振荡器,频率为40kHz,提供低功耗时钟。 
0 c5 m' F" t8 ~! r. u3 g; @0 a/ H+ G- \: M' b/ k4 Q

9 E; ]9 C) k5 i1 K9 Z- o# h: WLSE是低速外部时钟,接频率为32.768kHz的石英晶体。
" Z* W5 n5 E# V, k( d- o1 W% w* c( u0 g
& W" q* l9 n) H% S
    时钟树的右边红色框中,则是系统时钟通过AHB预分频器,给相对应的外设设置相对应的时钟频率。
% K  A+ T1 z8 q9 @2 ^* o) `* A/ S2 F0 y9 s# K% ~6 V7 w: C' K
& a# m' t8 ~, \6 P* P; e( g
    其中LSI、LSE是作为IWDGCLK(独立看门狗)时钟源和RTC时钟源使用。而HSI、HSE以及PLLCLK经过分频或者倍频作为系统时钟SYSCLK来使用。. J% W5 }" L3 b

, K, ~+ A: f6 [$ H
/ [# s- _& B/ W$ T6 s
    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。通过倍频之后作为系统时钟的时钟源。
  Z( h" S0 c: m( i+ ^9 t
1 _2 h2 H7 Z0 m$ ?, U

, j4 q. T6 L* H; E4 Z- X# t% Z配置时钟, F# Y+ d! e7 J) s% y9 t& [" e% s1 v, j& S
默认时钟
7 V* C8 e4 n/ \5 X8 h3 e
6 V- F- p+ f* |0 F. K. g) D
6 b2 ^7 ^: B& I4 y& v
    Keil编写程序是默认的时钟为72Mhz,其实是这么来的:
. D9 x0 J* C$ ]
3 o! U; H  M3 q2 I; n4 H

# a  C1 X5 R. B    外部高速晶振HSE提供的8MHz(大小与电路板上的晶振相关)通过PLLXTPRE分频器后,进入PLLSRC选择开关,进而通过PLLMUL锁相环进行倍频(x9)后,为系统提供72MHz的系统时钟SYSCLK。之后是AHB预分频器对时钟信号进行分频,然后为低速外设提供时钟。
; A; I# ^) Q: K# r* w+ Q
7 U" s! c4 X7 r" T. X+ V
( k" K* |/ L" u3 a
    内部RC振荡器HSI为8MHz,2分频后是4MHz,进入PLLSRC选择开关,通过PLLMUL锁相环进行倍频(最大x16)后为64MHz。
: \9 x1 H* g5 A" L2 M* o/ G, i. V$ g6 ]/ P- O# B# ?

* @5 {/ z0 P% k( `USB时钟/ L- H3 m( C+ n
3.png
; ]) N2 r9 X3 a7 k3 b
' O4 m- h: i; H5 t6 i
    如上图,STM32的USB时钟不能超过48MHz,因此如果时钟源为72MHz,就需要进行1.5分频。
7 Y1 G  h; s0 a2 g8 L% V* M1 V! Y  p# F8 ]% p9 q
7 Q/ h* {) f, r
    如果时钟源为48MHZ,则进行1分频即可。* v6 f" }9 M/ v# j1 I$ t0 A; g4 d

- _% O9 H( x! @1 h  J把时钟信号输出到外部0 y6 f9 b$ d! a' P/ ~! `% j7 w
4.png

0 K) b" s7 V- q: O- |# B

- _$ r% F% O& \) B. J) B; k, z    STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上,可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟,可以把时钟信号输出供外部使用。
: |% A  ^; U, ]) P& B  E8 H3 H7 E, n
4 X) R) F: W: V' I2 b
AHB分频器6 _/ @1 }2 U1 [# z7 A6 T8 k
    如时钟树图右边的部分,系统时钟通过AHB分频器给外设提供时钟。从左到右可以简单理解为:. v. J4 B7 }9 A) Y9 v, f: q' `# G
    系统时钟->AHB分频器->各个外设分频倍频器->外设时钟的设置。
3 r" Q4 O8 E; v! g, T    右边部分为:系统时钟SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用,AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。其中AHB分频器输出的时钟送给5大模块使用: 9 p3 I5 f/ ~- ~3 n" u, U- Q
5 Q0 \4 D$ ?' s7 l1 O1 f

& y( L# ^* Z# I# Z  H; l- y5 P内核总线:送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。
3 Z; n0 ]0 L. j+ }6 m; z- D/ k: d
* w! B8 D# z1 _
5 r2 N% x: R9 U* p6 h
Tick定时器:通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟。
! S+ G, V' B4 T  p/ ^7 P9 s) L7 x+ N& m

1 m* c+ C2 e4 T3 T# u# h% E( p  ZI2S总线:直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。 ( n+ \4 w4 R# q2 Y

" l7 p' [5 \$ p4 m* E4 ~
% y) c  Q& B  P  ?/ B, R7 G
APB1外设:送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频,其输出一路供APB1外设使用(PCLK1,最大频率36MHz),另一路送给通用定时器使用。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器2-7使用。
$ |2 T) Q. x8 C3 }$ [
4 |# B$ @' t6 k, I
" R) b- J& W# x) Q4 q, ]! L6 V
APB2外设:送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频,其输出一路供APB2外设使用(PCLK2,最大频率72MHz),另一路送给高级定时器。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器1和定时器8使用。另外,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。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。需要注意的是,如果APB预分频器分频系数是1,则定时器时钟频率(TIMxCLK)为PCLKx。否则,定时器时钟频率将为 APB 域的频率的两倍:TIMxCLK = 2xPCLKx。 * [( o+ R4 r9 n

0 @1 a* D, l! x  t9 P6 }9 `
$ i! v# z; D5 F0 x5 x$ U1 l6 k( W
APB1和APB2的对应外设
4 T& p: @8 w% K9 ], h; `7 @5 A
5.png
" X$ a" f5 V0 q  Y- m/ i

! ?& M1 r, u0 X) t1 l    F1系列中,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、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等。
- {& ~8 ^5 ~% e2 x, e: f# m/ E0 X9 q! J. }- Y- }
* {4 e" F' \; i% \1 i1 [
    APB2上面连接的是高速外设,包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口(PA-PE)、第二功能I/O(AFIO)口等。% m3 P8 q$ O6 E2 o! \& a# M

7 F, u" W6 E0 K+ {

% r3 k4 C4 L6 T    具体可以在stm32f10x_rcc.h中查看外设挂在哪个时钟下。; ?9 p6 p& V4 ~/ v* L  @5 G: ~

) b. I) C! s0 h5 D3 |
2 G" x5 ~0 w, Z0 N% n. h6 S, X6 S
时钟监视系统(CSS)
0 a9 h7 E) J, X4 ~: R& y! H
6.png
    另外,STM32还提供了一个时钟监视系统(CSS),用于监视高速外部时钟(HSE)的工作状态。倘若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。
4 b  E- P: C, E1 q* s1 ]& |7 I2 U4 Q" A
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