【STM32】时钟树系统

heater4042024-06-25 12:51

1.时钟树简介

1.1五个时钟源

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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 复制代码 
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 复制代码 
/**
  * @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 复制代码 
void RCC_GetClocksFreq(RCC_ClocksTypeDef* RCC_Clocks)

我们调用后

c 复制代码 
	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 复制代码 
#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 复制代码 
#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 复制代码 
	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 复制代码 
PLL_M      25

修改为：

c 复制代码 
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 复制代码 
#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。
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