【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

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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。

) w9 X/ s( X# i+ o/ [14.3.1 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：

/**
1 N e3 r- e. ^# L
\brief System Reset7 C- t6 ^7 x t
\details Initiates a system reset request to reset the MCU.
8 N- d8 `$ q: p; M* T6 ~4 }/ ]0 p
*/
: W$ \. G, q/ D' R3 S2 ?. A* ]6 k" ~
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void); ~* n+ t; W& m9 P6 i" h
{
+ v9 b6 F6 v" l# x7 ?* x- P: c* x! I4 J
__DSB(); /* Ensure all outstanding memory accesses included
9 m8 b( ~) P7 A) D$ p6 [$ i
buffered write are completed before reset */4 o, v+ Z4 b0 z
SCB->AIRCR = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |6 r! ^: U, z3 D
(SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
9 h: y0 T2 y6 c8 \
SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk ); /* Keep priority group unchanged */6 l4 I% c, q) D6 S3 S
__DSB(); /* Ensure completion of memory access */4 L5 P/ ~4 H u1 e
' q. q; @& A2 X/ z
for(;;) /* wait until reset */! S3 b' [" r6 c
{2 f; M7 b8 W1 w% q$ I
__NOP();3 J4 Z- [, C' s% {; S+ H7 Q0 O5 v
}
2 S) n2 M1 V5 e/ o1 K8 W g
}

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。
7 c; T5 O1 e2 q: D
  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)
' S, D2 e# ~$ X) S8 P6 a% j
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
- H5 D4 e3 Y0 D, A) X$ 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 PROC4 m8 O3 Q" y7 C" x A
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
' ? ^' O/ A* V1 M& s1 E$ T
IMPORT SystemInit4 u$ c% Y7 P/ I& J! F( b' d8 s4 b
IMPORT __main
; O' X5 T5 H7 o5 c
7 b4 d1 H- F/ w4 W
LDR R0, =SystemInit, I t: ^6 ~; p7 Q! c
BLX R07 s1 ]6 u5 F$ |# [' J8 W
LDR R0, =__main. C+ ^, o" {) I
BX R09 \/ B8 L$ E# |2 b
ENDP

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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. /**
7 `3 Z& Y0 n0 k7 B" G/ @2 ~* g
2. * @brief Setup the microcontroller system) u) R. Y' c8 u% y; L0 W
3. * Initialize the FPU setting, vector table location and External memory, u) r% _* M0 j" U9 h% P
4. * configuration.
. [2 p' Z: U! a! o! A- m' k( {, C
5. * @param None' G* a+ L5 |8 q2 O y0 e# A
6. * @retval None
. C1 i" v/ W. Y1 m D
7. */( Q X% W) {* Z7 N+ W2 }
8. void SystemInit (void)7 s0 n! a8 h" L8 `
9. {4 v8 Z8 m! T* B6 I9 y8 S
10. /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
3 l. C) C5 P1 }! }
11. #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
4 \/ Q7 T" T ~# w- y8 u9 v
12. SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */$ j% j- G+ ]8 Z% O+ H# W. d M
13. #endif
f% t3 @0 c8 }9 U, k
14. /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
3 k9 K8 O, C5 H7 H& ~1 [. l' r
15. /* Set HSION bit */+ q( L4 z4 @% f9 v
16. RCC->CR |= RCC_CR_HSION;
+ j1 d# d8 Y; Q: s
17.
' l/ l9 j/ n. E2 t# A+ J2 A& V0 g
18. /* Reset CFGR register */
7 A, x0 p7 l. R; [
19. RCC->CFGR = 0x00000000;8 U( q& x T B4 I4 U
20. 8 n. C7 Y" n( u: F
21. /* Reset HSEON, CSSON , CSION,RC48ON, CSIKERON PLL1ON, PLL2ON and PLL3ON bits */
# V) `% S/ A9 a g0 x! ^
22. RCC->CR &= (uint32_t)0xEAF6ED7F;6 A" m1 t9 {3 ?0 ~+ l
23. + K: k! Y3 |% F
24. /* Reset D1CFGR register */
, _# g1 B4 O/ P1 A5 V
25. RCC->D1CFGR = 0x00000000;: w' v3 ?' a# Y6 e: _
26. ( u( E a5 ~* V
27. /* Reset D2CFGR register */
! a* r: M/ Y" m; E7 l
28. RCC->D2CFGR = 0x00000000;
f' Y8 g3 O: g( r: u
29.
# Q/ L4 L/ y& q" x' g3 l2 o
30. /* Reset D3CFGR register */
' D; x7 ]( z( l
31. RCC->D3CFGR = 0x00000000;$ Y" m& o/ W# |( D: m
32. + }2 s$ O _$ @/ v
33. /* Reset PLLCKSELR register */5 A$ D- i6 H) e5 H! o* M$ |; M/ c
34. RCC->PLLCKSELR = 0x00000000;
5 N& ~, i1 u9 K8 Q
35.
7 J# j/ S7 o/ S& H
36. /* Reset PLLCFGR register */' A8 r* y$ x2 ^. P5 k1 c
37. RCC->PLLCFGR = 0x00000000;) s; @( d, Z" `1 G. A/ K
38. /* Reset PLL1DIVR register */
4 K: Q+ w* W* s5 T7 A/ M3 S+ h1 J
39. RCC->PLL1DIVR = 0x00000000;
E. E, E! J; H. M( {5 h
40. /* Reset PLL1FRACR register */
' H. @; m7 a6 S
41. RCC->PLL1FRACR = 0x00000000;
9 N& Z4 L; B! A) s, _% E* r
42.
( w6 m$ d: _ J4 K& H
43. /* Reset PLL2DIVR register */* m* L2 z1 r0 y5 @' }
44. RCC->PLL2DIVR = 0x00000000;$ i5 j8 [) Q" E
45. 0 k- ?& c7 S9 n
46. /* Reset PLL2FRACR register */& [# n% }7 W' L+ }& i
47.
; O5 \+ z) r% _8 @/ p3 h* I
48. RCC->PLL2FRACR = 0x00000000;
: D: `+ A7 l/ S6 I8 `& u; e
49. /* Reset PLL3DIVR register */" a- w" `9 h+ W$ V0 y* s
50. RCC->PLL3DIVR = 0x00000000;
" n9 D9 n: c1 i- E* J
51.
, c/ W8 `2 C( j* l- b4 s j( H
52. /* Reset PLL3FRACR register */: i; l( }0 B- q# F* `- I0 |5 I4 a
53. RCC->PLL3FRACR = 0x00000000;& b- R/ }( t* K; [' q$ z
54. / D1 N! @4 b. }: ]) ~% Z* o. \, O" H
55. /* Reset HSEBYP bit */
6 X7 q/ h% Y; \% t1 o: J) P2 W
56. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;) U) Y9 ^7 n* W7 E1 c" i
57. w3 i- t3 c1 D- ?: b
58. /* Disable all interrupts */
, `" W3 H l5 e6 W* X
59. RCC->CIER = 0x00000000;
) k( x, N3 S5 c% [$ ]
60.
) |& \1 Q; Z, Y
61. /* Change the switch matrix read issuing capability to 1 for the AXI SRAM target (Target 7) */* G6 }( g5 J6 Q
62. *((__IO uint32_t*)0x51008108) = 0x00000001; b( \6 y* ?+ ^8 \
63. : f5 |0 C" E) ]! K+ |4 T# ]# {
64. #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)& U% L4 M, U! S$ Z+ Y
65. SystemInit_ExtMemCtl();7 r/ `* I" O: i1 u4 s
66. #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */ ~/ u8 Q# i; R' K
67. # [0 q1 T2 B7 w9 C' v: t3 t
68. /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
3 T! E j- o. {. D# ^
69. #ifdef VECT_TAB_SRAM
/ v# K6 C0 p3 E4 S4 Q0 L: P$ d
70. SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal ITCMSRAM */* M$ C8 g- {1 R' l/ G
71. #else
5 {% m/ q" D1 U F1 |# V
72. SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
, D# x; r( V2 Q/ R9 H
73. #endif
4 o. T ]* F" c7 [2 n3 H1 e
74.
4 d# ?7 w8 @% z; Y/ r
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。