52Hz——STM32单片机学习记录——总体架构和时钟系统

1. 总体架构

从宏观上了解下STM32的系统架构、各个模块之间的层级关系以及相互的影响

STM32架构核心：总线矩阵和多层AHB总线

STM32（基于ARM Cortex-M内核）采用了一种叫做总线矩阵（Bus Matrix） 和多层AHB（Advanced High-performance Bus） 的互联结构。你可以把它想象成一个城市复杂的道路系统：

1. 主设备（Master）：像CPU、DMA控制器这些能够发起读写操作的"车辆"。它们说："我要去这个地方拿点东西（读）或者送点东西（写）"。

2. 从设备（Slave）：像Flash内存、SRAM、各种外设（GPIO, USART, SPI等）这些"目的地"或"仓库"。它们存储数据或等待被配置。

3. 总线（Bus）：连接主设备和从设备的"道路"。STM32内部有多条道路，让多辆车可以同时行驶而不堵塞。

核心问题 ：CPU（一条高速路）想访问Flash（一个仓库），而DMA（另一条高速路）同时想访问SRAM（另一个仓库）。如果只有一条路，它们就会堵死。所以STM32用了多层总线矩阵 ，允许多个主设备同时访问不同的从设备，极大提高了效率。

在这个道路系统中，不同"等级"的道路速度不同：

• 高速路（AHB Bus）：连接着核心（Cortex-M）、主要内存（Flash, SRAM）和DMA。速度最快。

• 普通公路（APB Bus）：连接大部分外设，如UART, I2C, SPI等。速度相对较慢。

核心 Cortex-M Processor

• 角色：城市的"大脑"和"最高指挥中心"。

• 功能 ：这是ARM公司设计的CPU核心，负责执行指令、计算、逻辑判断和控制整个芯片的运行。它通过I-Code, D-Code, System 等总线与外部连接。

  • I-Code总线：专门用于从Flash中取指令。

  • D-Code总线：专门用于从Flash中取数据（常量、查表等）。

  • System总线：用于访问内存（SRAM）和外设。

• 关联外设 ：内核本身还包含一些内部外设，如NVIC（嵌套向量中断控制器） 和 SysTick（系统定时器）。

总线矩阵 (Bus Matrix) / 多层AHB总线 (Multi-Layer AHB Bus)

• 角色：城市的"智能交通枢纽"或"立交桥系统"。

• 功能 ：这是STM32架构的核心。它连接了多个主设备（如CPU、DMA）和多个从设备（如Flash、SRAM、总线桥）。它的智能之处在于仲裁机制：

  • 当多个主设备（如CPU和DMA1）同时想访问同一个从设备（如SRAM）时，仲裁器会根据优先级决定谁先谁后。

  • 当多个主设备访问不同的从设备时（如CPU读Flash，DMA写SRAM），总线矩阵允许这两个传输同时进行，极大提升了并行效率和系统性能。

• 关联主设备：Cortex-M内核（通过其多条总线）、DMA控制器等。

• 关联从设备：Flash内存接口、SRAM控制器、AHB-APB桥等。

存储单元

主存储器 (Main Memory)

这是位于芯片内部的存储单元，速度最快，分为两大类：

• Flash Memory (闪存)

  • 作用 ：用于存储程序代码（Code） 、常量数据（const） 以及中断向量表等。CPU通过I-Code总线 和D-Code总线访问它来取指和读取常量。

  • 特点 ：非易失性 ，断电后数据不丢失。读写速度比SRAM慢，因此CPU通常有指令预取队列 和ART加速器（F4/F7/H7系列）来缓冲和加速指令读取。

• SRAM (静态随机存取存储器)

  • 作用 ：用于存放变量（全局变量、局部变量堆栈）、堆 以及运行时数据。CPU通过系统总线访问它。

  • 特点 ：易失性 ，断电后数据丢失。读写速度极快，可以与CPU时钟同步运行。

  • 发展：高性能系列（如F7/H7）会有多块SRAM（如ITCM, DTCM, AXI SRAM, AHB SRAM），用于不同的数据路径，进一步优化性能。

CPU有专门的总线（I-Code, D-Code）直连Flash，保证了取指效率；同时通过系统总线访问SRAM。

桥接单元

桥接单元主要就是连接AHB高速总线 和APB低速总线的接口。它主要有两大功能：

1. 协议转换：将AHB总线的通信协议转换为APB总线能理解的协议，反之亦然。就像是一个翻译官。

2. 速度匹配：AHB总线通常运行在系统最高时钟频率（如72MHz, 168MHz），而APB总线可以分频运行在较低频率。桥接单元会处理好不同时钟域之间的同步，防止数据出错。

AHB to APB Bridge (AHB-APB桥)

• APB2桥 ：连接的是高速外设。

  • 工作时钟：通常与AHB同频或分频比很小（如72MHz系统时钟下，APB2也是72MHz）。

  • 挂载的外设：通常包括GPIOA-G, SPI1, TIM1, USART1, ADC1等对性能要求较高的外设。

• APB1桥 ：连接的是低速外设。

  • 工作时钟：最大频率通常有限制（如72MHz系统时钟下，APB1最大36MHz）。

  • 挂载的外设：通常包括TIM2-TIM7, SPI2/I2S2, SPI3/I2S3, USART2/3/4/5, I2C1/2, CAN, USB, DAC等。

直接存储器访问控制器 (DMA Controller)

• 角色：高效的"物流搬运队"或"数据传送带"。

• 功能 ：可以在不占用CPU的情况下，直接在"外设"和"内存"之间或"内存"与"内存"之间搬运大量数据。CPU只需要初始化好DMA，就可以去执行其他任务，等DMA搬运完成后再通过中断通知CPU。这极大地解放了CPU，是高效能处理（如音频流、ADC采样阵列、图像数据传输）的关键。

• 工作流程：DMA作为主设备，向总线矩阵发起请求，直接读写SRAM或外设的数据寄存器。

复位和时钟控制 (RCC)

• 角色：整个城市的"电力公司和节奏控制中心"。

• 功能：

  • 复位控制：管理上电复位、欠压复位、看门狗复位等。

  • 时钟控制 ：这是它的核心功能。它包含振荡器（HSI, HSE, LSI, LSE）、PLL锁相环等。RCC负责选择和分配时钟源，并为系统内核、各个总线和所有外设提供所需的时钟信号。你可以通过配置RCC寄存器来开启/关闭各个外设的时钟，以达到节能的目的（未使用的模块不供电不给时钟），这也是低功耗设计的基础。

2. 时钟系统

可以把STM32的时钟系统想象成一个现代化的城市供水系统：

• 时钟源：像是不同的水源（江河、水库、地下水）。

• PLL ：像是水处理厂和加压泵站，能把水源加工成更高压力（频率）的水。

• 分频器 ：像是减压阀，给不同需求的区域（外设）提供合适水压（频率）。

• 时钟树 ：就像是错综复杂的城市水管网络。

• 使能控制 ：就像是每个建筑门口的水阀，不用水就关上，节约资源。

核心框图：时钟树 (Clock Tree)

时钟系统的组成部分

1. 时钟源 (Water Sources) - 系统的源头

STM32有多个时钟源，分为高速和低速两类，提供了灵活性和冗余备份。

时钟源	缩写	类型	频率	特点与用途
高速外部时钟	HSE	外部	4-26MHz (通常8MHz)	高精度 。由外部晶振/陶瓷谐振器提供，是系统主时钟 的首选，稳定可靠。
高速内部时钟	HSI	内部	8MHz (RC振荡器)	芯片内置，成本低，启动快 ，但精度相对较差。可作为HSE的备份时钟，或用于不需要高精度的场合。
低速外部时钟	LSE	外部	32.768kHz	高精度，低功耗 。通常连接32.768kHz手表晶振，专为实时时钟(RTC) 和低功耗模式设计。
低速内部时钟	LSI	内部	~32kHz (RC振荡器)	芯片内置，精度低，但功耗很低 。主要用于独立看门狗(IWDG) 和自动唤醒单元(AWU)，确保即使主时钟故障也能工作。

2. PLL (Water Treatment Plant & Pump Station) - 动力核心

• 角色 ：锁相环。它是整个系统的"动力引擎"。

• 功能 ：接受一个频率较低的时钟源（如HSE的8MHz或HSI的8MHz），通过倍频将其提升到一个非常高的频率，然后输出给系统内核和外设使用。

• 举例：这是STM32F103能"超频"到72MHz的关键。它接收8MHz的HSE，通过9倍频（8MHz x 9 = 72MHz），产生出72MHz的系统时钟（SYSCLK）。

3. 系统时钟 (SYSCLK) (Main Water Pipeline) - 主干道

• 角色 ：所有时钟中最重要的一个，相当于城市的"主供水管道"。

• 来源：可由HSI、HSE或PLL输出直接提供。

• 去向：SYSCLK会被分派到各个地方，最主要的是送给：

  1. AHB总线：通过AHB预分频器。

  2. Cortex-M内核：内核的工作频率就等于SYSCLK。

4. 分频器 (Pressure Reducing Valves) - 分配与调节

系统时钟（SYSCLK）速度很快，但并非所有外设都需要这么高的速度。分频器负责"降压"，为不同总线上的外设提供合适的时钟。

• AHB Prescaler (AHB预分频器) ：负责对SYSCLK进行分频，产生HCLK。

  • HCLK ：是送给Cortex-M内核、内存（Flash/SRAM）和DMA 的时钟。它的频率就是我们常说的"主频"（如72MHz）。

• APB1 Prescaler (APB1预分频器) ：对HCLK进行分频，产生PCLK1。

  • PCLK1 ：送给低速外设 （挂在APB1总线上的设备，如I2C, UART2/3/4/5, SPI2等）。它的频率最高为36MHz（在72MHz系统下通常分频为36MHz）。

• APB2 Prescaler (APB2预分频器) ：对HCLK进行分频，产生PCLK2。

  • PCLK2 ：送给高速外设 （挂在APB2总线上的设备，如GPIO, SPI1, ADC1, USART1, TIM1等）。它的频率最高为72MHz。

为什么TIM的时钟会翻倍？

这是一个重要知识点：虽然APB1的时钟PCLK1只有36MHz，但如果你看到定时器（如TIM2-TIM7）的时钟是72MHz，那是因为当APBx的分频系数不为1时，定时器连接的时钟会自动x2，以保证定时器的性能。

5. 时钟输出 (MCO) (Water Monitoring Outlet)

• 角色 ：主时钟输出。

• 功能 ：STM32可以将内部的某个时钟（如HSI、HSE、PLL、SYSCLK）通过一个特定的引脚（PA8）输出到芯片外部，用于同步其他设备 或使用示波器测量系统时钟频率，非常方便调试。

6. 时钟安全系统 (CSS) (Water Quality Monitor)

• 角色：一个安全卫士。

• 功能 ：如果使能了HSE，CSS会监视HSE时钟是否失效。一旦检测到HSE失败（比如晶振损坏），它会自动将系统时钟切换到HSI，并产生一个中断，让程序有机会进行错误处理，防止系统死机。这是高可靠性应用的关键功能。