MCU中的 HSI、HSE、LSI、LSE

HSI、HSE、LSI、LSE是STM32等ARM Cortex-M系列MCU中四种重要的时钟源。理解它们是进行MCU配置和低功耗设计的基础。

下面我将对这四种时钟源进行详细的解释和对比。

概览

这四种时钟源可以根据两个维度进行分类：

速度/用途：
- 高速时钟：为系统内核、外设等提供主时钟。
- 低速时钟：主要为实时时钟、独立看门狗等特定外设提供时钟。
来源：
- 内部时钟：由芯片内部RC振荡电路产生，成本低，启动快，但精度相对较低。
- 外部时钟：需要外接晶体/陶瓷谐振器，成本高，启动慢，但精度非常高。

组合起来，就得到了我们熟悉的四种时钟源：

时钟源	全称	中文名	类型	来源	主要特点与用途
HSI	High-Speed Internal	高速内部时钟	高速	内部RC	成本低，启动快，精度一般，可作为备份时钟或系统时钟
HSE	High-Speed External	高速外部时钟	高速	外部晶振	精度高，稳定，作为主系统时钟源，用于USB、以太网等
LSI	Low-Speed Internal	低速内部时钟	低速	内部RC	低功耗，精度低，主要为独立看门狗和RTC提供时钟
LSE	Low-Speed External	低速外部时钟	低速	外部晶振	精度高，功耗低，专为RTC提供精确时钟

详细解析

1. HSI - 高速内部时钟

产生方式 ：芯片内部的RC振荡器，通常频率为8MHz 或16MHz（具体取决于MCU型号，如STM32F1多为8MHz，STM32F4多为16MHz）。
优点：
- 成本低：无需外部元件。
- 启动快：上电后很快就能稳定工作。
缺点：
- 精度低：受温度、电压影响较大，典型精度在±1%到±2%之间，不适合对时序要求严格的外设（如USB）。
典型应用 ：
- 芯片复位后的默认系统时钟。
- 当HSE失效（如外部晶振故障）时，自动切换到的安全时钟源。
- 作为PLL的输入时钟，倍频后得到更高的系统时钟。

2. HSE - 高速外部时钟

产生方式：外接4-26MHz（常见为8MHz或25MHz）的晶体/陶瓷谐振器或直接接入外部有源时钟源。
优点：
- 精度高：非常稳定，精度可达±10ppm（百万分之十）。
- 稳定性好：不受芯片内部温度和电压变化影响。
缺点：
- 成本高：需要额外的外部元件和PCB面积。
- 启动慢：需要较长的起振时间。
典型应用 ：
- 主系统时钟：大多数对性能要求高的应用都使用HSE作为系统时钟源。
- 精确外设的时钟源：为USB、以太网等需要精确时钟的外设提供时钟。
- PLL的输入：通过PLL倍频，为MCU提供高频率的系统时钟（如8MHz晶振倍频到72MHz，168MHz等）。

3. LSI - 低速内部时钟

产生方式 ：芯片内部的低速RC振荡器，频率通常为32kHz或40kHz。
优点：
- 成本低：无需外部元件。
- 低功耗：在低功耗模式下（如Stop、Standby）仍可运行。
缺点：
- 精度非常低：比HSI的精度更差。
典型应用 ：
- 独立看门狗：看门狗只需要一个大致的时间基准，对精度要求不高，LSI完全满足。
- RTC：在不需要精确计时，且对成本敏感的应用中，可以为RTC提供时钟。

4. LSE - 低速外部时钟

产生方式：外接32.768kHz的晶体。这个频率值是 (2^{15})，便于进行15次分频后得到精确的1Hz信号。
优点：
- 精度高：提供非常精确的1Hz时钟信号。
- 功耗极低：在低功耗模式下运行，对系统整体功耗影响很小。
缺点：
- 成本高：需要外部晶振。
典型应用 ：
- RTC ：为实时时钟提供精确的时钟源，用于日历、计时等。这是LSE最主要、最核心的用途。
- 低功耗模式下的时钟：在低功耗模式下，可以作为某些定时器的唤醒时钟源。

时钟系统框图与工作流程

一个简化的STM32时钟系统框图可以帮助理解它们的关系：

复制代码

                                      +-------------------+
                                      |       PLL         |
                                      | (Clock Multiplier)|
                                      +---------+---------+
                                                |
                                                v
+----------------+                    +---------+---------+
|   HSE Oscillator|--+                |    System Clock   |
|   (e.g., 8MHz)  |  |                |   (SYSCLK, e.g.,  |--> CPU, Memory, etc.
+----------------+  |                |      72MHz)       |
                    |                +-------------------+
                    v                |
+----------------+  |  +---------+   |  +----------------+
|   HSI RC       |--+->| MUX /   |---+  | AHB Prescaler  |--> High-Speed Buses
|   (e.g., 8MHz) |     | Switch  |      +-------------------+
+----------------+     +---------+         |
                    |                |  +----------------+
                    |                |  | APB Prescalers |--> Peripherals (TIM, USART, etc.)
                    |                |  +----------------+
                    v                |
+----------------+  |                |
|   LSE Crystal  |--+                |
|   (32.768kHz)  |                   |
+----------------+                   |
                    |                |
+----------------+  |                |
|   LSI RC       |--+                |
|   (32kHz)      |                   |
+----------------+                   |
                                     |
                              +------+------+
                              | RTC & IWDG |--> Real-Time Clock & Independent Watchdog
                              +-------------+

工作流程举例（STM32F103）：

上电后，默认使用HSI（8MHz） 作为系统时钟。
在软件中，使能HSE（8MHz晶振），等待其稳定。
配置PLL，将HSE作为输入，倍频9倍，输出72MHz。
将系统时钟源从HSI切换到PLL输出。此时，系统就以72MHz运行。
同时，使能LSE（32.768kHz） 作为RTC的时钟源，用于精确计时。
LSI始终处于使能状态，为独立看门狗提供时钟。

总结与选择建议

场景	推荐时钟源	理由
高性能应用，需要USB、网络	HSE + LSE	HSE提供稳定高速主时钟，LSE为RTC提供精确计时。
成本敏感型应用，计时要求不高	HSI + LSI	无需外部晶振，成本最低。LSI可为看门狗和基本RTC提供时钟。
需要精确计时但成本有一定限制	HSI + LSE	放弃昂贵的高速晶振，但保留精确的RTC时钟。
极端低功耗应用（如电池设备）	HSE + LSE 或 MSI	HSE效率可能更高。新一代MCU（如STM32L系列）有MSI，一种多速度内部时钟，在功耗和灵活性上更优。

关键要点：

HSI是"保底"时钟，HSE是"高性能"时钟。
LSI是"看门狗专用"时钟，LSE是"精确RTC专用"时钟。
理解这四者的区别，是进行MCU初始化配置、电源管理和故障诊断的基础。在system_stm32fxxx.c和hal_conf.h等配置文件中，你会频繁地与它们打交道。