1.时钟树简介
1.1五个时钟源
-
LSI 是低速内部时钟,RC 振荡器,频率为32kHz左右。供独立看门狗和自动唤醒单元使用。
-
LSE 是低速外部时钟,接频率为32.768kHz 的石英晶体。这个主要是RTC的时钟源。
-
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~26MHz*,一般是8MHz。HSE 也可以直接做为系统时钟或者PLL输入。
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HSI 是高速内部时钟,RC 振荡器,频率为16MHz 。可以直接作为系统时钟或者用作PLL输入。
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PLL为锁相环倍频输出。STM32F4有两个PLL:
1) 主PLL(PLL)由HSE或者HSI提供时钟信号,并具有两个不同的输出时钟。
第一个输出PLLP用于生成高速的系统时钟(最高168MHz)
第二个输出PLLQ用于生成USB OTG FS的时钟(48MHz),随机数发生器的时钟和SDIO时钟。
2 )专用PLL(PLLI2S)用于生成精确时钟,从而在I2S接口实现高品质音频性能。
1.2主PLL时钟详解
主PLL时钟由HSE或者HSI提供时钟输入信号。(一般我们选择HSE)
经过一个分频系数为M(2~63)的分频器后,成为VCO的时钟输入,VCO的时钟必须在1~2M之间。
VCO输入时钟经过VCO倍频因子N倍频后,成为VCO时钟输出。
VCO输出时钟之后有三个分频因子:PLLCLK分频因子p(p可以取值2、4、6、8),USB OTG FS/RNG/SDIO时钟分频因子Q(Q可以取值4~15),分频因子R(F446才有,F407没有)。
PLL的时钟配置经过,稍微整理下可由如下公式表达:
VCOCLK_IN = PLLCLK_IN / M = HSE / 8 = 1M
VCOCLK_OUT = VCOCLK_IN * N = 1M * 336 = 336M
PLLCLK_OUT=VCOCLK_OUT/P=336/2=168M
USBCLK = VCOCLK_OUT/Q=336/7=48
简化为:
P L L C L K = H S E ➗ M ✖ N ➗ P PLLCLK= HSE➗M✖N➗P PLLCLK=HSE➗M✖N➗P
取HSE=8MHz,M=8,N=336,P=2,得PLLCLK=168MHz。
1.3系统时钟SYSCLK
系统时钟来源可以是:HSI、PLLCLK、HSE,具体的由时钟配置寄存器RCC_CFGR的SW位配置。 我们这里设置系统时钟:SYSCLK = PLLCLK =168M。如果系统时钟是由HSE经过PLL倍频之后的PLLCLK得到, 当HSE出现故障的时候,系统时钟会切换为HSI=16M,直到HSE恢复正常为止。如果开启了CSS(时钟安全系统)功能的话,那么可以当HSE故障时,在CSS中断里面采取补救措施,使用HSI,重新设置系统频率为168M,让系统恢复正常使用。 但这只是权宜之计,并非万全之策,最好的方法还是要采取相应的补救措施并报警,然后修复HSE。临时使用HSI只是为了把损失降低到最小,毕竟HSI较于HSE精度还是要低点。
1.4AHB总线时钟HCLK
系统时钟SYSCLK经过AHB预分频器分频之后得到时钟叫AHB总线时钟,即HCLK,分频因子可以是:[1,2,4,8,16,64,128,256,512], 具体的由时钟配置寄存器RCC_CFGR的HPRE位设置。片上大部分外设的时钟都是经过HCLK分频得到,至于AHB总线上的外设的时钟设置为多少, 得等到我们使用该外设的时候才设置,我们这里只需粗线条的设置好APB的时钟即可。我们这里设置为1分频,即HCLK=SYSCLK=168M。
1.5APB2总线时钟PCLK2
APB2总线时钟PCLK2由HCLK经过高速APB2预分频器得到,分频因子可以是:[1,2,4,8,16],具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR的PPRE2位设置。 PCLK2属于高速的总线时钟,片上高速的外设就挂载到这条总线上,比如全部的GPIO、USART1、SPI1等。至于APB2总线上的外设的时钟设置为多少, 得等到我们使用该外设的时候才设置,我们这里只需粗线条的设置好APB2的时钟即可。我们这里设置为2分频,即PCLK2 = HCLK /2= 84M。
1.6APB1总线时钟PCLK1
APB1总线时钟PCLK1由HCLK经过低速APB预分频器得到,分频因子可以是:[1,2,4,8,16],具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR的PPRE1位设置。 PCLK1属于低速的总线时钟,最高为42M,片上低速的外设就挂载到这条总线上,比如USART2/3/4/5、SPI2/3,I2C1/2等。至于APB1总线上的外设的时钟设置为多少, 得等到我们使用该外设的时候才设置,我们这里只需粗线条的设置好APB1的时钟即可。我们这里设置为4分频,即PCLK1= HCLK/4 = 42M。
1.7RTC时钟
RTCCLK 时钟源可以是 HSE 1 MHz( HSE 由一个可编程的预分频器分频)、 LSE 或者 LSI时钟。 选择方式是编程 RCC 备份域控制寄存器 (RCC_BDCR) 中的 RTCSEL[1:0] 位和 RCC时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 RTCPRE[4:0]位。 所做的选择只能通过复位备份域的方式修改。我们通常的做法是由LSE给RTC提供时钟,大小为32.768KHZ。LSE由外接的晶体谐振器产生, 所配的谐振电容精度要求高,不然很容易不起震。
1.8独立看门狗时钟
独立看门狗时钟由内部的低速时钟LSI提供,大小为32KHZ。
1.9I2S时钟
I2S时钟可由外部的时钟引脚I2S_CKIN输入,也可由专用的PLLI2SCLK提供,具体的由RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR)的I2SSCR位配置。 一般我们都是使用专用PLLI2SCLK提供。
2.0PHY以太网时钟
F407要想实现以太网功能,除了有本身内置的MAC之外,还需要外接一个PHY芯片,常见的PHY芯片有DP83848和LAN8720, 其中DP83848支持MII和RMII接口,LAN8720只支持RMII接口。 使用RMII接口的好处是使用的IO减少了一半,速度还是跟MII接口一样。当使用RMII接口时,PHY芯片只需输出一路时钟给MCU即可, 如果是MII接口,PHY芯片则需要提供两路时钟给MCU。
2.1USB PHY 时钟
F407的USB没有集成PHY,要想实现USB高速传输的话,必须外置USB PHY芯片,常用的芯片是USB3300。当外接USB PHY芯片时,PHY芯片需要给MCU提供一个时钟。
2.2MCO时钟输出
MCO是microcontroller clock output的缩写,是微控制器时钟输出引脚,主要作用是可以对外提供时钟,相当于一个有源晶振。 F407中有两个MCO,由PA8/PC9复用所得。MCO1所需的时钟源通过 RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 MCO1PRE[2:0] 和MCO1[1:0]位选择。 MCO2所需的时钟源通过 RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 MCO2PRE[2:0] 和 MCO2位选择。有关MCO的IO、时钟选择和输出速率的具体信息如下表所示:
时钟输出 | IO | 时钟来源 | 最大输出速率 |
---|---|---|---|
MCO1 | PA8 | HSI、LSE、HSE、PLLCLK | 100M |
MCO2 | PC9 | HSE、PLLCLK、SYSCLK、PLLI2SCLK | 100M |
2.使用标准库配置系统时钟
2.1分析SystemInit()函数
如果我们使用库函数编程,当程序来到main函数之前,启动文件:startup_stm32f40xxx.s已经调用SystemInit()函数把系统时钟初始化成168MHZ, SystemInit()在库文件:system_stm32f4xx.c中定义。那它是使用哪种方式配置系统时钟的呢?我们看看源码一探究竟。
c
已删除未编译的代码
/**
* @brief Setup the microcontroller system
* Initialize the Embedded Flash Interface, the PLL and update the
* SystemFrequency variable.
* @param None
* @retval None
*/
void SystemInit(void)
{
/* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
/* Set HSION bit */ //打开HSI
RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
/* Reset CFGR register */ //清除一些参数
RCC->CFGR = 0x00000000;
/* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */ //关闭HSE CSS PLL
RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
/* Reset PLLCFGR register */ //清楚关于PLL的参数
RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
/* Reset HSEBYP bit */ //关闭HSE 时钟旁路
RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
/* Disable all interrupts */ //关闭所有中断标志
RCC->CIR = 0x00000000;
/* Configure the System clock source, PLL Multiplier and Divider factors,
AHB/APBx prescalers and Flash settings ----------------------------------*/
SetSysClock();
//设置中断向量表
/* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
}
这些函数内部是直接配置寄存器的方式,所以我们逐句分析,具体进行源码注释。
c
/**
* @brief Configures the System clock source, PLL Multiplier and Divider factors,
* AHB/APBx prescalers and Flash settings
* @Note This function should be called only once the RCC clock configuration
* is reset to the default reset state (done in SystemInit() function).
* @param None
* @retval None
*/
static void SetSysClock(void)
{
#if defined(STM32F40_41xxx) || defined(STM32F427_437xx) || defined(STM32F429_439xx) || defined(STM32F401xx) || defined(STM32F412xG) || defined(STM32F413_423xx) || defined(STM32F446xx)|| defined(STM32F469_479xx)
/******************************************************************************/
/* PLL (clocked by HSE) used as System clock source */
/******************************************************************************/
__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
/* Enable HSE */ //打开HSE
RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
//等待HSE稳定
/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */
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;
}
if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)
{
//调压器输出电压级别选择
/* Select regulator voltage output Scale 1 mode */
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
PWR->CR |= PWR_CR_VOS;
/* HCLK = SYSCLK / 1*/ //SYSCLK经过AHBPRESC分频器到HCLK 配置AHBPRESC=1
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
#if defined(STM32F40_41xxx) || defined(STM32F427_437xx) || defined(STM32F429_439xx) || defined(STM32F412xG) || defined(STM32F446xx) || defined(STM32F469_479xx)
/* PCLK2 = HCLK / 2*/
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2; //HCLK经过2分频后得到APB2
/* PCLK1 = HCLK / 4*/
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;//HCLK经过4分频后得到APB1
#endif /* STM32F40_41xxx || STM32F427_437x || STM32F429_439xx || STM32F412xG || STM32F446xx || STM32F469_479xx */
#if defined(STM32F40_41xxx) || defined(STM32F427_437xx) || defined(STM32F429_439xx) || defined(STM32F401xx) || defined(STM32F469_479xx)
/* Configure the main PLL */ //选择HSE为PLL输入时钟信号,配置分频系数M,倍频系数N,分频系数P,分频系数Q
RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N << 6) | (((PLL_P >> 1) -1) << 16) |
(RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q << 24);
#endif /* STM32F40_41xxx || STM32F401xx || STM32F427_437x || STM32F429_439xx || STM32F469_479xx */
/* Enable the main PLL */ //打开主PLL
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
/* Wait till the main PLL is ready */ //等待主PLL就绪
while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
{
}
#if defined(STM32F40_41xxx) || defined(STM32F412xG)
/* Configure Flash prefetch, Instruction cache, Data cache and wait state */
FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTEN | FLASH_ACR_ICEN |FLASH_ACR_DCEN |FLASH_ACR_LATENCY_5WS;
#endif /* STM32F40_41xxx || STM32F412xG */
/* Select the main PLL as system clock source */ //选择主PLL作为系统时钟
RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;
/* Wait till the main PLL is used as system clock source */ //等待系统时钟ready
while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS ) != RCC_CFGR_SWS_PLL);
{
}
}
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 */
}
}
- 我们在魔术棒中定义了宏STM32F40_41xxx.
- 我们接的HSE是8MHz,但是我们发现PLL_M宏定义是25(这个宏定义也在该文件中),所以最终PLLCLK肯定不是168MHz.
我们不妨做一些验证:
2.2验证SystemInit()函数
看到有一个函数,好像可以读取时钟频率:
c
void RCC_GetClocksFreq(RCC_ClocksTypeDef* RCC_Clocks)
我们调用后
c
RCC_ClocksTypeDef RCC_Clocks;
RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);
进行调试
发现好像没有问题啊。其实我们看函数源码就会发现,内部的时钟获取也是通过那些参数计算的,就是一个逆运算过程,它根本就不能获取到真正的频率,除非那些参数配置与实际没有问题。显然,现在我们配置的PLL_M=25是有问题的,与实际外接的8MHz不相符。
那我们怎么样才能真正配置的时钟呢,没错就是用MCO时钟输出。
c
#ifndef __MCO_H
#define __MCO_H
#ifdef __cplusplus
extern "C"{
#endif
#include "stm32f4xx.h"
#define MCO1_PIN GPIO_Pin_8
#define MCO1_GPIO_Port GPIOA
#define MCO1_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOA
#define MCO2_PIN GPIO_Pin_9
#define MCO2_GPIO_Port GPIOC
#define MCO2_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOC
void MCO1_GPIO_Config(void);
void MCO2_GPIO_Config(void);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
c
#include "mco.h"
// MCO1 PA8 GPIO 初始化
void MCO1_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(MCO1_GPIO_CLK, ENABLE);
// MCO1 GPIO 配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MCO1_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(MCO1_GPIO_Port, &GPIO_InitStructure);
}
// MCO2 PC9 GPIO 初始化
void MCO2_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(MCO2_GPIO_CLK, ENABLE);
// MCO2 GPIO 配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MCO2_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(MCO2_GPIO_Port, &GPIO_InitStructure);
}
c
MCO1_GPIO_Config();
MCO2_GPIO_Config();
// MCO1 输出PLLCLK
RCC_MCO1Config(RCC_MCO1Source_PLLCLK, RCC_MCO1Div_1);
// MCO2 输出SYSCLK
RCC_MCO2Config(RCC_MCO2Source_SYSCLK, RCC_MCO1Div_1);
这样,我们使用示波器测量MCO1就可以看真实的PLLCLK。
在这里插入图片描述
示波器测试的频率是53.2MHz。因为
8 ➗ 25 ✖ 336 ➗ 2 = 53.76 8➗25✖336➗2=53.76 8➗25✖336➗2=53.76
正好吻合,但是不知道为什么MCO2使用示波器测不出来。。。。。
2.3修改SystemInit()函数
现在我们把
c
PLL_M 25
修改为:
c
PLL_M 8
使用同样的方式测得如下167MHz,并且在MCO1和MCO2测得相同的值。
2.4使用标准库配置系统时钟
我们加载的标准库文件,默认情况下是只读的,上文是强行修改文件属性后修改的,但是这种行为不推荐。所以,最好我们自己可以使用标准库函数来写一个函数用于配置系统时钟,毕竟SystemInit()函数中是直接配置的寄存器。
编码要点:
0、反初始化(这个不能省)
1、 开启HSE/HSI ,并等待 HSE/HSI 稳定
2、 设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子
3、 设置PLL的时钟来源,设置VCO输入时钟 分频因子PLL_M,设置VCO输出时钟倍频因子PLL_N,设置PLLCLK时钟分频因子PLL_P,设置OTG FS,SDIO,RNG 时钟分频因子 PLL_Q。
4、 开启PLL,并等待PLL稳定
5、 把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK
6、 读取时钟切换状态位,确保PLLCLK被选为系统时钟
c
#include "bsp_clk.h"
/*
* 使用HSE时,设置系统时钟的步骤
* 0、反初始化(这个不能省)
* 1、开启HSE ,并等待 HSE 稳定
* 2、设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子
* 3、设置PLL的时钟来源
* 设置VCO输入时钟 分频因子 m
* 设置VCO输出时钟 倍频因子 n
* 设置PLLCLK时钟分频因子 p
* 设置OTG FS,SDIO,RNG时钟分频因子 q
* 4、开启PLL,并等待PLL稳定
* 5、把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK
* 6、读取时钟切换状态位,确保PLLCLK被选为系统时钟
*/
/*
* m: VCO输入时钟 分频因子,取值2~63
* n: VCO输出时钟 倍频因子,取值192~432
* p: PLLCLK时钟分频因子 ,取值2,4,6,8
* q: OTG FS,SDIO,RNG时钟分频因子,取值4~15
* 函数调用举例,使用HSE设置时钟
* SYSCLK=HCLK=168M,PCLK2=HCLK/2=84M,PCLK1=HCLK/4=42M
* HSE_SetSysClock(25, 336, 2, 7);
* HSE作为时钟来源,经过PLL倍频作为系统时钟,这是通常的做法
* 系统时钟超频到216M爽一下
* HSE_SetSysClock(25, 432, 2, 9);
*/
void HSE_SetSysClock(uint32_t m, uint32_t n, uint32_t p, uint32_t q)
{
//0、反初始化(这个不能省)
RCC_DeInit();
//1、开启HSE ,并等待 HSE 稳定
RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
if(SUCCESS==RCC_WaitForHSEStartUp())
{
// 调压器电压输出级别配置为1,以便在器件为最大频率
// 工作时使性能和功耗实现平衡
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
PWR->CR |= PWR_CR_VOS;
//2、设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div4);
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);
/*
3、设置PLL的时钟来源
* 设置VCO输入时钟 分频因子 m
* 设置VCO输出时钟 倍频因子 n
* 设置PLLCLK时钟分频因子 p
* 设置OTG FS,SDIO,RNG时钟分频因子 q
*/
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE,m,n,p,q);
//4、开启PLL,并等待PLL稳定
RCC_PLLCmd(ENABLE);
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) {
}
/*-----------------------------------------------------*/
// 配置FLASH预取指,指令缓存,数据缓存和等待状态
FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTEN
| FLASH_ACR_ICEN
| FLASH_ACR_DCEN
| FLASH_ACR_LATENCY_5WS;
/*-----------------------------------------------------*/
// 5、把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
//6、读取时钟切换状态位,确保PLLCLK被选为系统时钟
if(0x08==RCC_GetSYSCLKSource())
{
}
}
}
特别注意:
- 配置之前需要进行RCC_DeInit(),因为在启动文件中配置过一次
- 除了时钟相关的配置外,其中还有PWR、FLASH的配置,其实在启动文件中还有向量表的配置SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET,这个后面再详解。
- CSS功能的使能,RCC_ClockSecuritySystemCmd(FunctionalState NewState)使用这个函数,我们目前还没有ENABLE。