32单片机从入门到精通之硬件架构——时钟树配置（三）

最近很喜欢的一段句子：每个年龄段都有每个年龄段的压力，每个阶段都有每个阶段的烦恼。希望我们都能顶住生活的压力，慢慢提升自己，好好生活。

我知道你最近很累，但是请你一定要坚持下去，千万不要太着急，学会调节好情绪慢慢来想要的，岁月都会给，就算无人问津也好，技不如人也罢，千万别让烦恼和焦虑毁了你本就不多的热情和定力。

定好目标给自己一点时间沉淀努力成为更好的人你一定可以！

上一篇博客试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

二、简答题（每题10分，共30分）

[1. 系统时钟源选择](#1. 系统时钟源选择)

[2. 使用PLL (Phase-Locked Loop) 倍频基础时钟频率](#2. 使用PLL (Phase-Locked Loop) 倍频基础时钟频率)

[3. 配置步骤示例 (以STM32F4系列为例)](#3. 配置步骤示例 (以STM32F4系列为例))

[4. 注意事项](#4. 注意事项)

上一篇博客试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

AHB主要用于连接哪种类型的设备？
- A) 低速外围设备
- B) 中速外围设备
- C) 高速设备 (正确答案)
- D) 内存映射外设
APB1和APB2的主要区别在于什么？
- A) 数据宽度
- B) 工作频率 (正确答案)
- C) 支持的外设类型
- D) DMA支持
DMA控制器允许数据在内存和其他外设之间直接传输，这减轻了哪个组件的负担？
- A) 外围设备
- B) 存储器
- C) CPU (正确答案)
- D) 总线矩阵
STM32中，用于连接传感器、EEPROM等外围设备的两线制同步串行总线称为？
- A) SPI
- B) UART
- C) I²C (正确答案)
- D) CAN
下列哪项不是DMA的特点？
- A) 后台数据传输
- B) 需要CPU干预
- C) 内置中断机制
- D) 提高系统吞吐量 (正确答案为B)

二、简答题（每题10分，共30分）

简要描述AHB (Advanced High-performance Bus) 的特点及其应用场景。
解释什么是DMA (Direct Memory Access)，以及它在STM32中的作用。
请简要说明APB1和APB2的主要用途，并举例说明它们分别连接哪些类型的外围设备。

三、填空题（每题2分，共10分）

STM32系列单片机基于______架构，支持多种低功耗模式，如睡眠、停止和待机。 (ARM Cortex-M)
AHB总线的数据宽度通常为______位或______位。 (32, 64)
DMA可以配置多种传输模式，如单次传输、块传输和______。 (循环传输)
APB1主要用于连接______速度的外围设备，如定时器、UART、SPI、I²C等。 (低速)
DMA控制器通过内置的______机制，在传输完成时通知CPU。 (中断)

四、编程题（每题20分，共40分）

使用STM32 HAL库编写一段代码，初始化AHB总线上的一个外设（例如，启用GPIOA时钟），并简要注释代码功能。

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 初始化AHB总线上的外设（例如，启用GPIOA时钟）
void AHB_Peripheral_Init(void) {
    // 启用GPIOA时钟，GPIOA位于AHB总线上
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
}

int main(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库

    AHB_Peripheral_Init();  // 初始化AHB总线上的外设

    // 主循环
    while (1) {
        // 用户代码
    }
}

编写一段代码，配置DMA以从ADC模块读取数据，并将数据存储到指定的内存缓冲区。确保正确配置DMA通道、传输模式和优先级。

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define BUFFER_SIZE 10
uint16_t ADC_Buffer[BUFFER_SIZE];

// 初始化DMA并配置ADC进行DMA传输
void DMA_ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();  // 启用DMA2时钟

    // 配置DMA通道
    DMA_HandleTypeDef hdma_adc;
    hdma_adc.Instance = DMA2_Stream0;  // 使用DMA2 Stream0
    hdma_adc.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
    hdma_adc.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_adc.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_adc.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
    hdma_adc.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
    hdma_adc.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;  // 循环模式
    hdma_adc.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

    if (HAL_DMA_Init(&hdma_adc) != HAL_OK) {
        // 错误处理
        Error_Handler();
    }

    // 将DMA流与ADC关联
    __HAL_LINKDMA(&hadc, DMA_Handle, hdma_adc);

    // 配置ADC
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    hadc.Instance = ADC1;
    hadc.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc.Init.NbrOfConversion = 1;
    hadc.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;
    hadc.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;

    if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK) {
        // 错误处理
        Error_Handler();
    }

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK) {
        // 错误处理
        Error_Handler();
    }

    // 开始DMA传输
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t*)ADC_Buffer, BUFFER_SIZE);
}

int main(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库

    DMA_ADC_Init();  // 初始化DMA并配置ADC

    // 主循环
    while (1) {
        // 用户代码
    }
}

void Error_Handler(void) {
    // 错误处理代码
    while (1) {
        // 停留在这里
    }
}

五、应用设计题（每题15分，共15分）

设计一个基于STM32的智能环境监控系统，包括温度、湿度、光照强度等参数的监测。详细描述硬件选型、软件架构及数据上传方案。考虑如何通过Wi-Fi模块将数据发送到云端服务器。

硬件选型：
- MCU：STM32F4系列，具备足够的处理能力和丰富的外设资源。
- 传感器：DHT22（温湿度）、BH1750（光照强度）。
- Wi-Fi模块：ESP8266或ESP32，提供Wi-Fi连接能力。
- 电源管理：LDO稳压器，确保稳定供电。
- 通信接口：UART用于与Wi-Fi模块通信。
软件架构：
- 主控程序：负责初始化和调度各个任务，如定时采集传感器数据、处理Wi-Fi连接等。
- 传感器驱动：实现对各类型传感器的初始化和数据读取。
- 网络协议栈：使用AT命令集或直接调用ESP8266/ESP32 SDK中的API进行TCP/IP通信。
- 云平台接口：根据所选云平台（如阿里云IoT、AWS IoT）开发相应的API调用逻辑。
数据上传方案：
- 本地缓存：在STM32内部SRAM或外部Flash中临时保存采集的数据。
- 定期上传：每隔固定时间间隔（如每分钟）将缓存的数据打包并通过Wi-Fi发送至云端服务器。
- 异常处理：在网络连接失败时自动重试，保证数据传输的可靠性。

时钟树配置详解

在嵌入式系统中，特别是基于STM32微控制器的项目里，时钟树配置是至关重要的一步。它决定了系统的运行速度和性能。以下是关于如何配置系统时钟源、使用PLL（锁相环）来倍频基础时钟频率以达到更高工作速度的具体步骤。

1. 系统时钟源选择

内部RC振荡器 (HSI)

特点：内置的高速内部RC振荡器，无需外部元件，启动快，但精度较低。
适用场景：适用于对成本敏感的应用或需要快速启动的应用。

外部晶体振荡器 (HSE)

特点：通过外部连接的晶体振荡器提供更精确的时钟源，通常具有更高的稳定性和准确性。
适用场景：适用于对时钟精度要求高的应用，如通信协议、定时任务等。

2. 使用PLL (Phase-Locked Loop) 倍频基础时钟频率

PLL可以将输入的基础时钟频率进行倍频，从而产生更高的工作频率。这对于提高处理器性能非常有用。配置PLL时，需要注意以下几点：

输入时钟源选择：可以选择HSI、HSE作为PLL的输入时钟源。
倍频系数设置：根据所需的最终输出频率，设置合适的倍频系数（M, N, P, Q, R）。不同的MCU型号可能有不同的配置选项。
分频因子设置：有时需要对PLL输出再进行分频，以适应特定外设的需求。

3. 配置步骤示例 (以STM32F4系列为例)

#include "stm32f4xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
    RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInitStruct = {0};

    // 初始化所有使能的外围设备的时钟
    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

    // 配置主振荡器 (HSE/HSI)
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; // 使用外部8MHz晶体振荡器
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8; // 输入分频因子
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; // 倍频因子
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2; // 输出分频因子
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; // USB OTG FS, SDIO, RNG时钟源分频因子
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 初始化系统时钟
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 配置USB OTG FS时钟
    PeriphClkInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_CLK48;
    PeriphClkInitStruct.Clk48ClockSelection = RCC_CLK48SOURCE_PLL;
    if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

4. 注意事项

时钟稳定性：确保使用的外部晶体振荡器符合数据手册中的规格要求，以保证时钟的稳定性和可靠性。
电源电压：某些高频率操作可能需要调整VDD核心电压，确保满足MCU的最大工作频率需求。
闪存等待状态：当系统时钟频率较高时，必须适当增加闪存的等待周期数（FLASH Latency），以避免读取错误。
功耗考虑：如果对功耗有严格要求，应权衡时钟频率与功耗之间的关系，选择最合适的配置方案。

试卷

一、选择题（每题2分，共10分）

系统时钟源可以选择以下哪两种？
- A) 内部RC振荡器 (HSI) 和外部晶体振荡器 (HSE)
- B) 外部晶体振荡器 (HSE) 和低速内部RC振荡器 (LSI)
- C) 高速外部RC振荡器 (HSER) 和内部晶体振荡器 (ISI)
- D) 内部RC振荡器 (HSI) 和低速外部晶体振荡器 (LSE)
PLL (Phase-Locked Loop) 的主要作用是什么？
- A) 减少功耗
- B) 提高内存访问速度
- C) 倍频基础时钟频率
- D) 增加外设数量
在STM32中，使用PLL进行倍频时，通常需要设置哪些参数？
- A) 输入分频因子、倍频系数、输出分频因子
- B) 内存地址映射、中断优先级、DMA通道
- C) USB接口配置、SPI波特率、I²C地址
- D) 输入分频因子、倍频系数、输出分频因子
对于需要快速启动的应用，应该选择哪种时钟源？
- A) 内部RC振荡器 (HSI)
- B) 外部晶体振荡器 (HSE)
- C) 低速内部RC振荡器 (LSI)
- D) 低速外部晶体振荡器 (LSE)
当使用外部晶体振荡器 (HSE) 作为PLL输入时，通常它的频率是多少？
- A) 8 MHz 或 25 MHz
- B) 16 MHz 或 32 MHz
- C) 8 MHz 或 25 MHz
- D) 12 MHz 或 24 MHz

二、简答题（每题10分，共30分）

简要描述系统时钟源的选择依据及其应用场景。
解释PLL (Phase-Locked Loop) 在嵌入式系统中的作用，并说明如何通过PLL提高系统的工作速度。
在配置STM32的时钟树时，为什么需要调整闪存等待状态（FLASH Latency）？

三、填空题（每题2分，共10分）

STM32系列单片机可以通过______或______提供系统时钟源。
PLL可以将输入的基础时钟频率进行______，以达到更高的工作速度。
在配置PLL时，需要设置输入分频因子、______和输出分频因子。
为了确保系统的稳定性和可靠性，使用的外部晶体振荡器必须符合______中的规格要求。
如果对功耗有严格要求，应权衡时钟频率与______之间的关系，选择最合适的配置方案。

四、编程题（每题20分，共40分）

编写一段代码，配置STM32的时钟树，使用外部8MHz晶体振荡器 (HSE) 作为系统时钟源，并通过PLL将时钟频率倍频至168MHz。请包括必要的初始化步骤和错误处理机制。
编写一段代码，配置STM32的USB OTG FS时钟源为PLL输出，并确保其频率为48MHz。同时，确保所有相关外设的时钟配置正确。

五、应用设计题（每题15分，共15分）

设计一个基于STM32的智能环境监控系统，详细描述如何配置时钟树以满足高性能和低功耗的需求。考虑以下因素：
- 系统的主要功能模块（如传感器读取、Wi-Fi通信等）
- 各模块的最佳工作频率
- 如何通过时钟配置优化系统的整体性能和功耗