【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。

4 s& B8 R4 H( B; M) u' ?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：

/**0 A% s! B e/ J
\brief System Reset6 H3 I; {' b; }* Z; K1 H
\details Initiates a system reset request to reset the MCU.9 C" a; O9 @" u7 s
*/
2 _$ ~2 C, c& | S B! `3 T. _
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
( B( L9 [9 M; z8 X. H
{5 T$ U% N9 M4 S/ |; }% D, y
__DSB(); /* Ensure all outstanding memory accesses included5 n3 Y- X& {, v' ^
buffered write are completed before reset */
# W9 d. W# ]" d& O) ~6 s5 |: }7 n
SCB->AIRCR = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
7 U. A9 Q2 [- ?3 o
(SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |3 k$ r, G$ I' q; u5 \, g6 l
SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk ); /* Keep priority group unchanged */5 b1 f+ m" I# \1 C A; | o
__DSB(); /* Ensure completion of memory access */* @& ^2 ~, Q6 G1 w8 K- S6 {
/ A5 A+ {4 _$ b9 n9 w
for(;;) /* wait until reset */
) t) C/ I& n* \) v
{' D$ ]/ p. V# Y" V' [& K
__NOP();1 a1 a7 `: j( `* a) m
}" R) f7 K+ H7 M" k7 [. c7 b+ f- _
}

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。

3 h. j; B4 Y& k% p& Q" V' ^4 z: D9 N. 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) 9 B. s- |6 V& e: Z# v
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
4 s7 f9 O# x4 b3 L) z+ y
#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 c3 k. M$ L- y+ Z
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
7 U" y+ [8 v) w8 c, o% Q- y6 U
IMPORT SystemInit
2 Q6 m+ M$ V8 u4 ^
IMPORT __main" `' B, [# T7 b0 P0 F @
$ @& f z0 Y7 [ S+ g" _
LDR R0, =SystemInit5 ^+ Y, Y+ y3 H J; C1 @( h
BLX R04 \4 b6 L" X; N
LDR R0, =__main) o) c$ U2 \- B8 k) q0 T0 n, A
BX R03 j/ D8 k0 R1 m5 x* ~# P3 E% 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. /**/ [% R4 d4 g6 P- I/ V; r( @
2. * @brief Setup the microcontroller system: Q0 s$ y' j2 }+ q, l. B9 ?
3. * Initialize the FPU setting, vector table location and External memory: q2 k# v1 R5 ~5 h4 e. `
4. * configuration.
1 i2 K! Z7 G8 m3 x
5. * @param None
/ c" p, h- T% U$ ]& f) @, E2 K% J9 \
6. * @retval None
: |0 b6 p. ^- @
7. */# Z6 `" \* s2 s! M0 {& V
8. void SystemInit (void)
: {: ^& e Z# ?4 C
9. {! N. {& N/ e9 z" g5 L- N5 {
10. /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
- `! W9 H, v' w/ l
11. #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
3 t' ]4 G$ f0 l
12. SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
% T p3 r+ a, h5 k( l
13. #endif
?, v& [1 P5 t% F5 j
14. /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/* l# F! D( K( z$ j
15. /* Set HSION bit */
" R G7 }+ S6 i4 g
16. RCC->CR |= RCC_CR_HSION;( K3 R3 P- g. w( e
17.
/ C/ Z: \& V) Z5 X; `1 H" K: n' F4 k
18. /* Reset CFGR register */
' f1 f; d9 p2 J* d
19. RCC->CFGR = 0x00000000;4 }6 D4 `2 t7 k5 a+ a, e; L1 `+ L
20.
; C- Y1 E( I) N+ k0 b
21. /* Reset HSEON, CSSON , CSION,RC48ON, CSIKERON PLL1ON, PLL2ON and PLL3ON bits */- d1 q7 N+ I9 R9 h& t3 P
22. RCC->CR &= (uint32_t)0xEAF6ED7F;
& M! |& w) y- O
23. 7 i5 w9 j: e2 s- s
24. /* Reset D1CFGR register */
( k( j( f0 d) a! N& }- y# E9 Q. P: }
25. RCC->D1CFGR = 0x00000000;
7 H7 v% o. q8 H7 c
26. 6 Y+ }7 Y9 v7 ~
27. /* Reset D2CFGR register */
+ j @4 z' D/ w+ S6 g
28. RCC->D2CFGR = 0x00000000;
D9 h! k4 c+ x3 p0 w7 D, [
29.
2 R9 T; V! X& {& D3 @# }. l
30. /* Reset D3CFGR register */- P4 Z# [/ W7 [$ K
31. RCC->D3CFGR = 0x00000000;3 T9 [" W2 n* r
32.
7 g3 n4 n& k! H( M0 P# C
33. /* Reset PLLCKSELR register */4 _9 ^ [8 o- n8 F- z1 Z+ r
34. RCC->PLLCKSELR = 0x00000000;: _; L7 r: f# ?) o/ a2 r
35.
" h2 e% H: |3 D2 \& E
36. /* Reset PLLCFGR register */4 ?% F; W, H" M3 s0 O. E
37. RCC->PLLCFGR = 0x00000000;
, h# b/ f* C8 n/ q4 |$ U3 |
38. /* Reset PLL1DIVR register */- N4 I" K6 c L. h, ?; M
39. RCC->PLL1DIVR = 0x00000000;
. V4 m5 z% C9 X
40. /* Reset PLL1FRACR register */
! R1 M5 u+ z. S4 m8 j& |1 y
41. RCC->PLL1FRACR = 0x00000000;9 Q4 Z9 [$ u+ n. v1 |6 D
42.
. _7 z+ B. X8 s) B
43. /* Reset PLL2DIVR register */2 v: W4 z2 R; K6 J& {2 G) F
44. RCC->PLL2DIVR = 0x00000000;
- D3 w8 h2 l% P' _# S
45.
3 U% \, @0 \# y) W3 O* {8 u
46. /* Reset PLL2FRACR register */
' p/ [0 c8 `% A# G
47. & s6 b+ ^, m! |6 k( m3 u! B
48. RCC->PLL2FRACR = 0x00000000;/ Z! @9 d. E z8 J
49. /* Reset PLL3DIVR register */
/ F, S5 [9 w% I8 g
50. RCC->PLL3DIVR = 0x00000000;
: H' p: \. @. @3 m, R5 L3 `2 g
51. $ L6 V6 K% W' D9 ?8 I; Q8 r
52. /* Reset PLL3FRACR register */
/ p/ U3 w% @" G4 s; c* I2 { C
53. RCC->PLL3FRACR = 0x00000000;! Z& I! n- M5 H: k T$ Y" ^
54.
$ C. w. e7 _9 ^: O7 x
55. /* Reset HSEBYP bit */ V, S% j: R, Q5 V
56. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;4 Q0 t! h& }, h6 u) t1 ]+ n
57.
+ I6 J7 z* s6 F ]' Y ]$ C
58. /* Disable all interrupts */
) F. B6 {; U. d9 t4 P
59. RCC->CIER = 0x00000000;& W4 E' f1 @: Y5 D
60. , V* C8 g x9 r) f# y8 `3 @9 J; R( \
61. /* Change the switch matrix read issuing capability to 1 for the AXI SRAM target (Target 7) */
k: z. H" M T( K/ b$ o8 y
62. *((__IO uint32_t*)0x51008108) = 0x00000001;- O7 G: s# d7 r# s' u/ \
63.
' G. B6 ^& G1 f; A1 F" {
64. #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)! e9 o2 _: P1 l9 |' r& @; e+ N
65. SystemInit_ExtMemCtl();
' r7 L( R* ^# Y
66. #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */7 X2 L) [) c$ L, E& J% q
67.
& t% J' [6 L2 ]- S& y: e
68. /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/# k: k6 q f1 [ U; z
69. #ifdef VECT_TAB_SRAM3 e( ^4 A! o' H L- n5 ~
70. SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal ITCMSRAM */0 @) C' \! Y) Q1 }
71. #else" i: b- c. P! T2 d" t, u% ]
72. SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
7 i6 z9 o* ^ n6 |2 _
73. #endif
# r' ]1 A& Y, ^) d# P# p+ g
74.
" z- P3 x9 |6 t' s2 ?& e
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。