STM32F103学习笔记-16-RCC(第3节)-使用HSE配置系统时钟并使用MCO输出监控系统时钟

在前两节中，我们学习了时钟树的理论和系统时钟配置函数。本节我们将亲手编写代码，对于调试和验证时钟配置非常重要，通过使用HSE（外部高速时钟）配置系统时钟，并利用MCO（微控制器时钟输出）功能，来监控时钟信号。

一、创建驱动文件与工程配置

在STM32开发中，我们经常需要根据项目需求自定义时钟配置。STM32标准库提供了丰富的函数来简化这个过程。今天，我们将编写一个名为 HSE_SetSysClk的函数，它使用HSE晶振作为时钟源，并通过PLL倍频到所需频率（包括超频）。我们还将通过MCO引脚输出时钟信号，用示波器测量验证。

步骤：

1.新建驱动文件：

• 在工程中创建两个文件：

  bsp_rccclkconfig.c：包含函数实现。bsp_rcc_clock_config.c（源文件）和 bsp_rcc_clock_config.h（头文件）。文件名中的 bsp表示"板级支持包"，这是一种常见的驱动命名约定。

  bsp_rccclkconfig.h：包含函数声明和必要的头文件。在 bsp_rcc_clock_config.c中，我们将实现时钟配置函数；在头文件中声明这些函数，以便其他文件调用。

• 在 bsp_rcc_clock_config.c中，我们将实现时钟配置函数；在头文件中声明这些函数，以便其他文件调用。

2. 工程配置：

• 将这两个文件添加到你的MDK（Keil）或IDE工程中。

• 在需要使用时钟配置的文件（如 main.c）中包含头文件：

  #include "bsp_rcc_clock_config.h"

• 确保编译器能找到头文件：在IDE中设置头文件路径（如Keil中在Options for Target -> C/C++ -> Include Paths中添加路径）。

3. 防止头文件重复包含：

• 在头文件中使用条件编译指令，避免多次包含导致的错误。这是编程的良好习惯：

  #ifndef __BSP_RCC_CLOCK_CONFIG_H
  #define __BSP_RCC_CLOCK_CONFIG_H
  
  /* 头文件内容 */
  
  #endif

• 头文件中需要包含STM32的标准库头文件，以便使用固件库函数和寄存器定义：

  #include "stm32f10x.h"

4. 编译验证：

• 完成以上步骤后，先编译工程，确保没有语法错误和路径问题。如果编译成功，说明工程配置正确。

原理说明 ：创建独立的驱动文件有助于代码模块化，提高可重用性。条件编译防止头文件被多次包含，避免重复定义错误。包含 stm32f10x.h是必须的，因为它提供了STM32固件库的核心函数和寄存器映射。

二、编写 bsp_rcclkconfig.c 时要参考 system_stm32f10x.c 里的 static void SetSysClockTo72(void)？

1. 背景：system_stm32f10x.c 是官方的"时钟初始化模板"

这个文件是 STM32 官方提供的系统初始化文件，在程序启动时自动执行，用于配置：

• 系统时钟源（HSI/HSE/PLL）

• 各总线分频（AHB、APB1、APB2）

• Flash等待周期

• 启动时钟稳定检测等。

换句话说，它是整个STM32上电后第一份初始化时钟的"参考蓝图"。

例如，在该文件中定义的：

static void SetSysClockTo72(void)

就是 ST 官方配置 系统时钟为 72MHz（HSE × 9） 的标准做法。

它完整展示了：

• HSE 启动检测；

• PLL 倍频计算；

• 各总线分频；

• Flash 延时配置；

• 切换系统时钟源的正确顺序。

2. bsp_rcclkconfig.c 是在"重写"这个功能

写的函数：

void HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x)

本质上与 SetSysClockTo72(void) 作用相同：配置系统时钟为某个频率（可选倍频）。

区别在于：

对比项	system_stm32f10x.c	bsp_rcclkconfig.c
函数名	SetSysClockTo72()	HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x)
调用方式	系统启动时由 SystemInit() 自动调用	用户在 main() 中手动调用
倍频系数	固定为 9（72MHz）	可通过参数灵活指定（如 ×9, ×10, ×12）
编写方式	直接操作寄存器	使用固件库函数（更直观、安全）

因此，你需要参考 SetSysClockTo72() 的逻辑顺序与配置要点，因为：

• 它保证了正确的时钟切换流程；

• 它包含了所有必须的寄存器设置；

• 任何少配置或顺序错误都可能导致系统跑飞或时钟错误。

简言之：

参考 SetSysClockTo72() 是为了在"自主编写固件库版本的时钟初始化函数"时，确保流程正确、配置完整、时序安全。

3. 为什么不是直接用 SetSysClockTo72()

因为：

• 它是 static 函数，作用域仅限 system_stm32f10x.c 文件，外部无法直接调用；

• 它只支持固定频率（72MHz），无法动态调整倍频；

• 要做"裸机编程实验与超频实验"，因此需要自己写一个可传参的版本，比如：

三、void HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x) 的函数参数语法作用

1. 参数类型说明

uint32_t RCC_PLLMul_x

• uint32_t 表示一个 32位无符号整数；

• RCC_PLLMul_x 是一个 枚举常量，它来自固件库定义：

在 stm32f10x_rcc.h 文件中，可以找到类似的定义：

#define RCC_PLLMul_2   ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PLLMul_3   ((uint32_t)0x00040000)
#define RCC_PLLMul_4   ((uint32_t)0x00080000)
...
#define RCC_PLLMul_9   ((uint32_t)0x001C0000)
#define RCC_PLLMul_16  ((uint32_t)0x003C0000)

这些宏值代表 PLL 的倍频系数，用于函数：

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_x);

这个函数会根据你传入的倍频参数，自动配置寄存器 RCC->CFGR 中的 PLLMULL 位域。

2. 参数的语法功能（重点理解）

当你调用：

HSE_SetSysClk(RCC_PLLMul_9);

实质上就是告诉 MCU：

"以 HSE 为输入时钟源（8MHz），倍频9倍，配置系统主频为 8MHz × 9 = 72MHz。"

如果改成：

HSE_SetSysClk(RCC_PLLMul_10);

则为：

"以 HSE 为输入时钟源，倍频10倍，系统主频 = 8MHz × 10 = 80MHz。"

所以：

• RCC_PLLMul_x 就是倍频选择参数；

• 函数根据它来动态生成不同主频的系统时钟；

• 可用于测试超频、验证时钟输出。

3. 举例说明参数的使用流程

在 main.c 中：

int main(void)
{
  HSE_SetSysClk(RCC_PLLMul_10); // 设置系统时钟 = 8MHz × 10 = 80MHz
  LED_GPIO_Config();

  while(1)
  {
    LED_G(OFF);
    Delay(0xFFFFF);
    LED_G(ON);
    Delay(0xFFFFF);
  }
}

你会发现：

• 如果改成 RCC_PLLMul_9（72MHz），LED闪烁频率为标准；

• 如果改成 RCC_PLLMul_10（80MHz），LED闪烁变快；

• 如果改成 RCC_PLLMul_16（128MHz），超频效果更明显。

这就是参数的灵活性与教学意义所在。

四、HSE系统时钟配置函数详解

现在，我们来编写 HSE_SetSysClk函数。这个函数接受一个参数 RCC_PLLMul_x，用于设置PLL的倍频因子，从而实现不同频率的输出（包括超频）。以下是函数的步骤分解：

步骤0: 函数框架与复位操作

void HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x)
{
  ErrorStatus HSEStatus;  // 定义状态变量
  // 复位RCC寄存器到默认值
  RCC_DeInit();

原理说明 ：RCC_DeInit()将RCC寄存器恢复为复位值，确保从已知状态开始配置，避免之前的配置干扰。

步骤1: 使能HSE并等待就绪

HSE是外部晶振，通常为8MHz。我们需要启动它并等待稳定。

RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);  // 使能HSE
HSEStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();  // 等待HSE启动
if (HSEStatus == SUCCESS) {
    // HSE启动成功，继续后续操作（步骤2~5）
} else {
    // HSE启动失败，可以在这里处理错误（例如，切换到HSI或报错）
}

原理说明：

• RCC_HSEConfig()是库函数，用于启用HSE。

• RCC_WaitForHSEStartUp()等待HSE稳定，返回 SUCCESS或 ERROR。HSE起振需要时间（通常几毫秒），所以必须等待，否则后续操作可能失败。

• 如果HSE失败，系统可能无法达到预期频率，因此错误处理很重要（例如，使用默认HSI）。

步骤2: 配置Flash预取指和等待周期

当系统时钟频率提高时，CPU访问Flash需要更长时间，否则可能读取出错。我们必须配置Flash的等待周期。

FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);  // 启用预取指缓冲区
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);  // 设置2个等待周期

原理说明：

• 预取指缓冲区是Flash的缓存机制，能提前加载指令，提高效率。

• 等待周期设置依据SYSCLK频率：≤24MHz时无需等待，24-48MHz时设1周期，>48MHz时设2周期。由于我们目标是72MHz或更高，所以设2周期。

• 如果不设置，系统在高速下可能运行不稳定或崩溃。

步骤3: 配置总线分频因子

系统时钟SYSCLK通过分频分配给AHB、APB1和APB2总线，确保外设时钟不超限。

RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);  // AHB分频 = 1, HCLK = SYSCLK
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);   // APB1分频 = 2, PCLK1 = HCLK/2 (最高36MHz)
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);   // APB2分频 = 1, PCLK2 = HCLK (最高72MHz)

原理说明：

• AHB总线连接内核和高速外设（如DMA），1分频让HCLK跑在SYSCLK的全速。

• APB1用于低速外设（如USART2、I2C），最高36MHz，所以2分频。

• APB2用于高速外设（如GPIO、ADC），支持72MHz，1分频即可。

• 重要：如果APB1设成1分频，可能超频导致外设异常！务必遵循手册限值。

步骤4: 配置并使能PLL

PLL将HSE倍频到更高频率。我们使用HSE作为PLL输入，并设置倍频因子。

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_x);  // PLL源 = HSE不分频, 倍频因子由参数指定
RCC_PLLCmd(ENABLE);  // 使能PLL
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);  // 等待PLL锁定

原理说明：

• RCC_PLLConfig()设置PLL的输入源和倍频因子。RCC_PLLSource_HSE_Div1表示HSE不分频（直接8MHz输入），RCC_PLLMul_x是参数，范围2-16（例如，9倍频得72MHz）。

• PLL需要时间锁定频率，等待 RCC_FLAG_PLLRDY标志位确保输出稳定。

• 超频提示：倍频因子可设为16，得到128MHz（但超频可能不稳定，需测试）。

步骤5: 选择系统时钟源并等待切换完成

最后，将系统时钟源切换到PLL输出。

RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);  // 选择PLL作为SYSCLK源
while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);       // 等待切换完成（0x08表示PLL已作为源）

原理说明：

• RCC_SYSCLKConfig()选择时钟源（HSI、HSE或PLL）。

• RCC_GetSYSCLKSource()返回当前源状态：0x00表示HSI，0x04表示HSE，0x08表示PLL。等待直到返回0x08，确认切换成功。

• 切换后，SYSCLK = PLL输出频率（如72MHz），系统正式运行在高速模式。

完整函数代码

结合以上步骤，HSE_SetSysClk函数的完整代码如下（在 bsp_rccclkconfig.c中）：

#include "bsp_rcclkconfig.h"

void HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x)
{
  ErrorStatus HSEStatus;
  //把RCC 寄存器复位成复位值
  RCC_DeInit;
  
  //使能HSE
  RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
  
  HSEStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
  
  if(HSEStatus == SUCCESS)
  {
    //使能预取指
    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);
    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
    
    //设置分频因子
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
    
    //配置锁相环
    //配置PLLCLK = HSE * RCC_PLLMul_x
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_x);
    //使能PLL
    RCC_PLLCmd(ENABLE);
    //等待PLL稳定
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
    
    //选择系统时钟
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
    while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
    
  }
  else
  { 
  /*如果HSE启动失败，应用程序将会有错误的时钟配置，用户可以在这里添加代码来处理这个错误*/
  }
}

五、bsp_rcclkconfig.c 调用固件库的函数映射关系

1. 逻辑结构概览：三层关系图

层次	文件	作用	说明
应用层（用户代码）	bsp_rcclkconfig.c / .h	调用固件库API封装特定功能（如配置HSE、PLL）	这是你编写的外层接口函数，比如 HSE_SetSysClk()
固件库接口层	stm32f10x_rcc.h	声明函数、定义宏、参数枚举	提供开发者调用API的"词典"和参数选项
底层驱动实现层	stm32f10x_rcc.c	实现具体函数操作RCC寄存器	直接读写 RCC->CR, RCC->CFGR 等寄存器，改变时钟设置

2. 图示理解：

main.c
   ↓ 调用
bsp_rcclkconfig.c     ← 用户自定义逻辑
   ↓ 使用固件库函数
stm32f10x_rcc.h/.c    ← 固件库层（标准外设驱动）
   ↓ 操作寄存器
RCC 寄存器组（硬件层）

3. 对照表

层次	文件	内容类型	示例
用户层	bsp_rcclkconfig.c	应用逻辑（调用固件库）	调用 RCC_PLLConfig()
接口层	stm32f10x_rcc.h	函数声明 + 宏定义	#define RCC_PLLMul_9 0x001C0000
底层层	stm32f10x_rcc.c	函数实现（操作寄存器）	`RCC->CFGR

三者之间的关系可以理解为：

• bsp_rcclkconfig.c 像是一个"工程师调度中心"，

• stm32f10x_rcc.h 是它的"功能目录"，

• stm32f10x_rcc.c 是它的"实际执行员"，

• 最终通过修改 RCC 寄存器来驱动 MCU 的时钟系统运行。

实操编程时，"光标"对准"函数名"、"鼠标单击右键"选择"Go To Definition of 'XXX' "。

六、超频实验 与 MCO 输出监控系统时钟

1. 目标（本节只做这些）

1. 在 STM32F103 上用 HSE+PLL 实现可参数化的超频（通过传入不同 PLL 倍频）。

2. 用 MCO（PA8）把所选时钟源输出到探头，用示波器测频率与波形来验证实际系统时钟。

3. 设计并执行一套稳健的验收 / 稳定性测试流程（避免盲目超频导致器件损伤）。

本节不重复 RCC、PLL 的基本概念和 RCC_* API 的说明（这些已在前面讲过）。下面直接给出实践要点和操作细则。

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2. 实验前准备（硬件与软件）

• 开发板：STM32F103（确保晶振为 8 MHz HSE）。

• 示波器、探头（注意带宽须大于测量频率；例如要测 128 MHz，应使用 ≥200 MHz 带宽探头/示波器）。

• 若开发板 PA8 连有蜂鸣器或其他外设：先断开该外设（拔跳帽、断线），否则 MCO 输出会驱动外设，导致测量失真或噪声。

• USB 或稳压电源：供电稳定，最好带有电流限制/监控。

• 将代码仓库/工程准备好：包含 bsp_rcclkconfig.c/.h、main.c、LED 例程等。

软件检查项（必须）：

• 头文件原型声明采用 ANSI 风格（void MCO_GPIO_Config(void);）。

• 在 bsp_rcclkconfig.c 中 RCC_DeInit(); 必须带括号（实际调用）。

• 在 main.c 中调用 MCO_GPIO_Config(); 时不要写 void 或错放空格在 include 名称。

• 在成功切换 SYSCLK 后调用 SystemCoreClockUpdate();，以便 SystemCoreClock 变量与实际频率一致（影响延时与外设时序）。

3. 实验步骤（简洁、可复制）

3.1 代码讲解

在 main() 里先设置系统主频（HSE_SetSysClk(...)），然后配置 PA8 为 MCO 输出（MCO_GPIO_Config()），接着用 RCC_MCOConfig(...) 选择要输出的时钟源（通常选 RCC_MCO_SYSCLK），用示波器测 PA8 波形并判定超频是否成功。同时注意更新 SystemCoreClock、设置 Flash 延迟和总线分频以保证系统稳定。

/* main.c (节选：关键部分) */
//......
int main(void)
{
    /* 假设上电启动时为默认 SystemInit 状态（HSI 或 boot 设置），
       现在我们想把系统时钟设为 HSE * PLLMUL */
    HSE_SetSysClk(RCC_PLLMul_10);   /* 尝试 8MHz * 10 = 80MHz（示例） */

    /* 切换系统时钟后，必须更新库中的 SystemCoreClock 变量 */
    SystemCoreClockUpdate();

    /* 配置 PA8 引脚为 MCO 输出（复用推挽） */
    MCO_GPIO_Config();              /* 注意：这里是函数调用，不是函数声明 */

    /* 选择 MCO 输出源：输出当前系统时钟（SYSCLK）到 PA8 */
    RCC_MCOConfig(RCC_MCO_SYSCLK);

    /* 初始化 LED 引脚（用于直观观察） */
    LED_GPIO_Config();

    while (1)
    {
        LED_G(OFF);
        Delay(0xFFFFF);
        LED_G(ON);
        Delay(0xFFFFF);
    }
}

注意事项（代码层面）：

• MCO_GPIO_Config(); 是函数调用 ，不要写成 void MCO_GPIO_Config();（那是函数声明，会被当成声明语句）。

• 在 HSE_SetSysClk() 成功后要调用 SystemCoreClockUpdate()，否则基于 SystemCoreClock 的延时/串口波特率计算会不正确。

• RCC_MCOConfig(RCC_MCO_SYSCLK) 是选择输出 SYSCLK 到 PA8；如果你想输出 PLL 的直接输出而不是 SYSCLK，可使用 RCC_MCO_PLLCLK_Div2（注意 PLL 输出一般是 PLLCLK/2）。

  /* bsp_rcclkconfig.c 中的 PA8 配置函数(节选：关键部分) */
  //......
  void MCO_GPIO_Config(void)
  {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    /* 使能 GPIOA 时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  
    /* 配置 PA8 为 AF 推挽输出（MCO） */
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  }

说明：

• 这段代码把 PA8 置为复用推挽（AF_PP），这样内部 MCO 信号才能驱动到引脚。

• 必须先使能 GPIOA 时钟，否则 GPIO_Init() 无效。

  /* bsp_rcclkconfig.h 中 增加函数声明*/
  #ifndef __BSP_RCCLKCONFIG_H
  #define __BSP_RCCLKCONFIG_H

  #include "stm32f10x.h"

  void HSE_SetSysClk(uint32_t RCC_PLLMul_x);
  void MCO_GPIO_Config(void);

  #endif /* __BSP_RCCLKCONFIG_H*/

举个生活类比：

• .h 文件 = 告诉别人"我有这个功能"。

• .c 文件 = 真正实现这个功能的细节。

• main.c = 使用这个功能的人。

就像你告诉别人「我会修电脑（声明）」，而你真正修电脑的过程（实现）在别处完成。

别人听说你会修电脑（包含头文件）之后，就敢放心地让你来干活（调用函数）。

3.2 编译与基础校验

• 编译工程，确保无警告／错误（特别注意函数声明警告、RCC_DeInit 未调用警告等）。

• 在未超频前（例如使用 RCC_PLLMul_9 得到 72 MHz）加载并验证 LED、串口等外设是否正常。

3.3 配置 MCO 引脚

• 在代码里调用：

  MCO_GPIO_Config(); // 配置 PA8 为 AF Push-Pull
  RCC_MCOConfig(RCC_MCO_SYSCLK); // 选择输出 SYSCLK 到 MCO（PA8）

• 硬件上：断开 PA8 上的蜂鸣器跳帽（若有），接好示波器探头并确认共地。

3.4 切换不同 PLL 倍频（逐步上升）

• 在 main() 或调试 shell 中，分别尝试传入 RCC_PLLMul_9、RCC_PLLMul_10、......、RCC_PLLMul_16（或你板子/芯片允许的值）。

• 每次变更后，观察：

  • 示波器测到的频率是否与预期（HSE * PLLMUL）相符；

  • 波形的占空比 /上升沿陡峭程度（太差说明驱动/布线/负载问题）；

  • 板上 LED 闪烁是否与预期延时对应（注意：若使用延时函数依赖 SystemCoreClock，必须 SystemCoreClockUpdate()）。

3.5 验证并记录（必做）

• 用示波器读取频率并拍照或保存波形（记录实际值）。

• 记录每个倍频下的：

  • 测得频率（Hz）

  • 波形形状（方波、失真）

  • 供电电流（观察是否显著上升）

  • 板上温升（高频运行后检测芯片温度）

  • 功能异常（外设是否失效、系统是否重启）

4. 观测要点与判读指南

4.1 频率是否正确

• 预期频率 = HSE（通常 8 MHz） × PLL 倍频。测量值须在小偏差范围内（示波器与探头本身有误差）。

• 若误差显著（例如 128 MHz 读成 115 MHz），先检查：示波器采样设定、探头补偿/带宽、是否有分频/探头 10× 模式设置错误。

4.2 波形质量

• 理想：近似对称方波，边沿清晰。

• 波形差的常见原因：PA8 上外设未断开、探头接地回路过大、PCB 路径阻抗或驱动能力限制、示波器带宽不足。

• HSE 直出（8 MHz）时波形往往比经 PLL 后差（PLL 输出驱动能力、内部时钟网络有差异），但通常可接受。

• 过度失真或噪声说明该频率下 PCB/走线/驱动受限，不建议继续上调。

4.3 系统稳定性

• 仅凭 LED 变快不能判定稳定：必须运行 CPU/外设负载测试（UART/ADC/TIMER）并长时间（例如 10~60 分钟）验证。

• 超频对 Flash 等等待周期有严格要求：若未设置足够的 Flash Latency，会出现指令错误或系统崩溃。

• APB1 上外设（例如 I2C、UART）最大时钟不能超过 36 MHz，若超出必须改分频。

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