STM32系统时钟超详解-Toy模板网

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一.什么是时钟

1.什么是时钟对单片机有什么作用

时钟是由电路产生的具有周期性的脉冲信号，相当于单片机的心脏，要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟，驱动外设的本质是操作寄存器，而寄存器是由D触发器构成，而触发器需要时钟才能改写值，所以要想操作寄存器必须开启对应外设的时钟。对CPU来说假设CPU在一个时钟周期内执行一条指令(二进制代码)，若时钟频率越高，而时钟等于1/f为频率的倒数，则时钟周期更短则在相同的时间CPU能够执行更多的指，CPU的运行速度更快，文章的后面会有STM32超频实验,让灯闪烁的更快。（后面会详细讲解实验原理）

2.为什么要有时钟树
STM32时钟系统主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，主要也是为了降低整个芯片的功耗，所有外设时钟默认都是关闭状态(disable)当我们使用某个外设就要开启这个外设的时钟(enable)，不同外设需要的时钟频率不同，没必要所有外设都用高速时钟造成浪费，而且有些外设也接受不了这么高的频率，这也是为什么STM32有四个时钟源的原因,就是兼容不同速度的外设，STM32的四个时钟源分别为：HSE、 LSE、HSI、LSI

二.时钟树

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先粗略看一下时钟图，接下来就是分时钟源一一详细讲解(重点)，这里以原子的STM32f10RCT6mini板子为例

1.HSE时钟

HSE：High Speed External Clock signal，即高速的外部时钟。
来源：无源晶振（4-16M），通常使用8M。
作用：可不分频或2分频(频率/2)作为PLL锁相环的输入，还可直接不分频作为系统时钟，128分频作为外设RTC时钟的输入
控制：HSE晶体可以通过设置时钟控制寄存器里RCC_CR中的HSEON位被启动和关闭，在时钟控制寄存器RCC_CR中的HSERDY位用来指示高速外部振荡器是否稳定。在启动时，直到这一位被硬件置’1’，时钟才被释放出来。
1.来源：

2.作用

3.控制

2.HSI时钟

HSI：High Speed Internal Clock signal，高速的内部时钟。
来源：芯片内部，大小为8M，当HSE故障时，系统时钟会自动切换到HSI，直到HSE启动成功。
作用：可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入。HSI RC振荡器能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟。它的启动时间比HSE晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差
控制：时钟控制寄存器中的HSIRDY位用来指示HSI RC振荡器是否稳定。在时钟启动过程中，直到这一位被硬件置’1’，HSI RC输出时钟才被释放。HSI RC可由时钟控制寄存器中的HSION位来启动和关闭。如果HSE晶体振荡器失效，HSI时钟会被作为备用时钟源

1.作用
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2.控制

3.LSE时钟

LSE: low Speed External Clock signal，低速的外部时钟。
来源：芯片内部，LSE晶体是一个32.768kHz的低速外部晶体或陶瓷谐振器。它为实时时钟或者其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。
作用：直接作为RTC是时钟来源
控制：LSE晶体通过在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSEON位启动和关闭。在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSERDY指示LSE晶体振荡是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬件置’1’后，LSE时钟信号才被释放出来。
1.作用

2.控制

4.LSI时钟

LSI: low Speed Internal Clock signal，低速的内部时钟。
来源：内部芯片，LSI RC担当一个低功耗时钟源的角色，它可以在停机和待机模式下保持运行，LSI时钟频率大约40kHz(在30kHz和60kHz之间)。
作用：为独立看门狗和自动唤醒单元(RTC)提供时钟
控制：LSI RC可以通过控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSION位来启动或关闭在控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSIRDY位指示低速内部振荡器是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬件设置为’1’后，此时钟才被释放。

1.作用
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2.控制

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5.锁相环时钟PLLCLK

锁相环时钟：PLLCLK
来源：选择HIS振荡器除2或HSE振荡器为PLL的输入时钟，和选择倍频因子，必须在其被激活前完成。一旦PLL被激活，这些参数就不能被改动。
作用：内部PLL可以用来倍频HSI RC的输出时钟或HSE晶体输出时钟(倍频数2~16倍)，而经过倍频变成PLLCLK可以作为系统时钟源
控制：寄存器RCC_CFGR：PLLXTPRE、PLLMUL、PLLSRC位,寄存器RCC_CR:PLLNO、PLLRDY详情看下图
注意：PLL时钟源头使用HIS/2的时候，PLLMUL最大只能是16，这个时候PLLCLK最大只能是64M，小于ST官方推荐的最大时钟72M。如果需要在应用中使用USB接口，PLL必须被设置为输出48或72MHZ时钟，用于提供48MHz的USBCLK时钟。

1.作用
这个图是重中之重
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6.系统时钟SYSCLK

系统时钟：SYSCLK，最高为72M（ST官方推荐的）
来源：HSI、HSE、PLLCLK。
控制：CFGR：SW
注意：通常的配置是SYSCLK=PLLCLK=72M。

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2.控制

通常的配置是SYSCLK=PLLCLK=72M，配置流程，这里也非常重要后面实验就按照这个过程写代码

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7.HCLK时钟

HCLK：AHB高速总线时钟，速度最高为72M。
作用：为AHB总线的外设提供时钟、为Cortex系统定时器提供时钟（SysTick）、为内核提供时（FCLK）。
来源：系统时钟分频得到，一般设置HCLK=SYSCLK=72M
控制： CFGR：HPRE

1.作用：
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2.控制
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8.PCLK1时钟

PCLK1：APB1低速总线时钟，最高为36M。
作用：为APB1总线的外设提供时钟。1或2倍频之后则为APB1总线的定时器2~7提供时钟，最大为72M。
来源：HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK/2=36M
控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE1位

1.作用
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2.控制

9.PCLK2时钟

PCLK2：APB2高速总线时钟，最高为72M。
作用：为APB2总线的外设提供时钟。为APB2总线的定时器1和8提供时钟，最大为72M。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。
来源：HCLK分频得到，一般配置PCLK1=HCLK=72M
控制： RCC_CFGR 时钟配置寄存器的PPRE2位

1.作用
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2.控制

10.RTC时钟

RTC时钟：为芯片内部的RTC外设提供时钟。
来源：HSE_RTC（HSE分频得到）、LSE（外部32.768KHZ的晶体提供）、LSI（32KHZ）。
控制： RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR：RTCSEL位控制

独立看门狗时钟：IWDGCLK，由LSI提供
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控制

时钟安全系统(CSS)

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监视高速外部时钟HSE的工作状态。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。一旦CSS被激活，并且HSE时钟出现故障，CSS中断就产生，并且NMI也自动产生。NMI将被不
断执行，直到CSS中断挂起位被清除。

MCO时钟输出

MCO：microcontroller clockoutput，微控制器时钟输出引脚，由PA8复用所得。可以把时钟信号输出供外部使用，也可以用示波器检测时钟信号的参数(峰峰值，频率…)
来源：PLLCLK/2，HSE、HSI、SYSCLK
控制：CRGR：MCO

这里再奉上完整时钟树

三.讲解时钟系统时钟配置函数

1.STM32上电执行的第一个程序

STM32单片机上电，就会执行启动文件(汇编代码编写)中的复位程序。
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执行复位程序
1.调用SystemInit系统初始化函数完成系统时钟的配置(配置成72MHZ)
2.调用_main函数初始化堆栈指针，然后再调用C库函数main函数，去到C语言的世界
所以跳转到C语言的main函数时，已经完成了系统时钟(SYSCLK)的配置。

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2.SystemInit系统时钟初始化函数

以芯片型号： STM32F10X_HD为例
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这里将系统时钟配置成官方推荐的72MHZ。
步骤：
由外部晶振(HSE)提供的8MHz通过PLLXTPRE分频器不分频，输入到PLLSRC，然后通过PLLMUL锁相环进行9倍频后输出PLLCLK时钟(72MHZ)，然后通过系统时钟切换SW 将PLLCLK作为系统时钟(72MHZ)。然后通过AHB预分频器进行1分频得到AHB总线时钟(HCLK)，然后再分别经过APB1,APB2预分频器分别2分频，1分频，给APB1(PCLK1）APB2(PCLK2)总线提供时钟,进而给分别挂载在APB1,APB2总线的外设提供时钟
配合图来理解：
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还有对条件编译不熟的一定要看->预处理指令不然怎么调用的函数都不知道

重点来了

static void SetSysClockTo72(void)
{
  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
  
  /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    
  /* Enable HSE ：使能 HSE  */
  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
 
  /*  Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */
  //等待HSE就绪并做超时处理
  do
  {
    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
    StartUpCounter++;  
  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)
  {
    HSEStatus = (uint32_t)0x01;
  }
  else
  {
    HSEStatus = (uint32_t)0x00;
  }  

  //启动成功执行下一步的代码
  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)
  {
    /*使能预取指 cpu在FLASH取代码*/
    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;

    /* Flash 2 wait state ：设置成两个等待周期 */
    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    

 
    /* HCLK = SYSCLK =72M */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
      
    /* PCLK2 = HCLK =72M */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
    
    /* PCLK1 = HCLK =36M */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2; //二分频
    /*  锁相环配置: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |
                                        RCC_CFGR_PLLMULL));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);


    /* Enable PLL :使能PLL*/ 
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /* Wait till PLL is ready :等待PLL稳定*/
    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
    {
    }
    
    /* Select PLL as system clock source :选择PLL作为系统时钟*/
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    

    /* Wait till PLL is used as system clock source :等待PLLCLK切换为系统时钟*/
    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
    {
    }
  }
  else
  { /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock 
         configuration. User can add here some code to deal with this error */
		 //如果HSE 启动失败，用户可以在这里添加处理错误的代码
  }
}

老样子把一些if语句折叠看看函数的整体框架：
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如果HSE启动成功就执行折叠的if语句的内容

这里由于空间有限实在是不好一个一个去分析寄存器操作，我自己已经一个一个宏跳转然后对应着寄存器看，建议可以一条一条代码对着手册看，看看是不是真的是操作的寄存器的相对应的位

3.外设时钟的开启

到这里就把系统时钟配置完了，还有总线AHB，APB1,APB2的时钟也配置完成，这些总线上挂载的外设的时钟，要使用哪个外设就开启哪个外设的时钟
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这些寄存器的相应位就是对应挂载在总线上的外设时钟使能位。

四.自己写系统时钟初始化函数实现超频

1.函数实现

#include "rccclkconfig.h"

void HSE_System_Config( uint32_t RCC_PLLMul_x)
{
	
	ErrorStatus HSEStatus;
	/* 把RCC寄存器配置成复位值 */
	 RCC_DeInit();
	/* 使能SHE */
	RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
	HSEStatus=  RCC_WaitForHSEStartUp();
	
	/* 判断SHE启动是否成功 */
	if ( HSEStatus ==SUCCESS )
	{
		/*使能预取指 cpu在FLASH取代码*/
		FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);
		/* 设置成两个等待周期 */
		FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
		
		/* HCLK = SYSCLK =72M */
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
		
		 /* PCLK2 = HCLK =72M */
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
		
		/* PCLK1 = HCLK =36M */
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
		
		 /*  锁相环配置: PLLCLK = HSE * x(2-16) = 8*x MHz */
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_x);
		 /* 使能PLL*/
    RCC_PLLCmd(ENABLE);	
		 /* 等待PLL稳定 */
  while( RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
		
		/* 选择pLL作为系统时钟 */
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
		 /* 等待PLLCLK切换为系统时钟 */
   while( RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) ;
		 
	}
	else
	{
		/* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock 
         configuration. User can add here some code to deal with this error */
	}
}

代码已有详细注释是用库函数编写的，不过基本与前面寄存器版本的一致，只不过把他们封装成了函数，这里要注意的一点是配置前一定要调用一个 RCC_DeInit();函数把RCC寄存器配置成复位值。

2.实现超频让LED灯闪烁变快

原理：对CPU来说假设CPU在一个时钟周期内执行一条指令(二进制代码)，若时钟频率越高，而时钟等于1/f为频率的倒数，则时钟周期更短则在相同的时间CPU能够执行更多的指，CPU的执行代码速度更快，延时的时间就会变短，灯就会闪烁的更快。


#define SOFT_DELAY Delay(0x0FFFFF);

void Delay(__IO u32 nCount); 

int main(void)
{		
	HSE_System_Config( RCC_PLLMul_2);
	/* LED 端口初始化 */
	LED_GPIO_Config();	 

	while(1)
	{
      LED_G(NO);
      LED_R(OFF);
      Delay(0x0FFFFF);
      LED_G(OFF);
      LED_R(NO);
      Delay(0x0FFFFF);	
	}
}

void Delay(__IO uint32_t nCount)	 //简单的延时函数
{
	for(; nCount != 0; nCount--);
}

这里为了有更明显的实验效果，先让PLLMUL锁相环进行2倍频后输出PLLCLK时钟(16MHZ)，然后通过系统时钟切换SW将PLLCLK作为系统时钟(16MHZ)。
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然后让PLLMUL锁相环进行16倍频后输出PLLCLK时钟(128MHZ)，然后通过系统时钟切换SW将PLLCLK作为系统时钟(128MHZ)。