STM32 ——嵌入式存储系统、时钟系统（F407 系列）

引言

本文基于 STM32F407 系列芯片，详细拆解嵌入式系统核心的存储系统与时钟系统。存储系统是数据和程序的 "仓库"，时钟系统是设备同步工作的 "节拍器"，两者共同支撑嵌入式设备稳定运行。文中将补充细节说明、规范格式，并优化代码可读性，适合嵌入式开发入门及实战参考。

2.1 嵌入式存储系统概述

存储系统是嵌入式计算机系统的核心组成部分，用于满足不同类型数据的临时或永久存储需求，是程序运行和数据处理的基础。

2.1.1 核心作用

存储程序代码：嵌入式设备上电后，CPU 会从存储介质中读取指令并顺序执行。
存储运行时数据：包括程序运行过程中产生的变量、堆栈数据，以及传感器采集的临时数据。
存储持久化信息：系统配置参数、用户自定义设置等，要求掉电后数据不丢失。

2.1.2 存储介质分类

嵌入式存储介质按 "掉电后数据是否保留" 分为易失性存储器 和非易失性存储器两大类，具体分类及特性如下：

1. 易失性存储器（RAM）

随机访问存储器（RAM）掉电后数据立即丢失，按存储机制分为 DRAM 和 SRAM：

特性	DRAM（动态随机存储器）	SRAM（静态随机存储器）
存储原理	利用电容存储电荷（电荷有无代表 1/0）	利用触发器电路存储数据
存取速度	较慢	较快
集成度	较高	较低
生产成本	较低	较高
是否需要刷新	是（定期补充电容电荷）	否（电路稳定保持数据）
常见类型	DDR SDRAM、DDR2/3 SDRAM 等	片内 SRAM、缓存 Cache 等

2. 非易失性存储器

掉电后数据长期保留，核心类型包括 ROM、Flash、机械硬盘、光盘等，其中 Flash 是嵌入式系统的主流选择：

存储类型	核心特性	典型应用场景
MASK ROM	出厂时固化数据，不可修改	批量生产的固定程序存储
OTPROM	一次可编程，写入后不可修改	低成本、固定参数存储
PROM	可一次性编程，需专用设备	早期工业控制设备
EPROM	可擦除重写（需紫外线照射）	早期开发板、实验设备
EEPROM	电可擦除重写，字节级操作	小容量配置参数存储（如 I2C 接口）
NOR Flash	支持随机访问，读取速度快	固件、操作系统、配置数据存储
NAND Flash	不支持随机访问，容量密度高	大数据存储（音视频、文件系统）
机械硬盘 / 光盘	容量大、成本低，速度较慢	外部扩展存储（如嵌入式 PC）

注意：STM32F407 系列默认使用 NOR Flash，支持随机访问特性，因此程序可直接在 Flash 中运行（无需拷贝到 RAM）。

2.1.3 STM32F407 片内存储详情

STM32F407VET6 芯片内置 192KB SRAM，按功能划分为三部分，各司其职：

主 SRAM（128KB）：最常用的存储区域，用于存放全局变量、局部变量、函数堆栈等运行时数据。
CCM RAM（64KB）：内核专属 RAM，不经过总线矩阵，访问速度更快。需通过关键字指定变量存储位置，示例代码：
cpp 复制代码
```
// 定义存储在CCM RAM中的高速缓冲区
uint32_t __attribute__((section(".ccmram"))) high_speed_buffer[1024];
```
备份 SRAM（16KB）：需通过备份域供电，掉电后可通过备用电源（如纽扣电池）保持数据，适合存储关键配置参数。

2.1.4 嵌入式存储体系架构

嵌入式存储系统以 CPU 为核心，融合片内和片外存储资源，形成 "速度递减、容量递增、成本递减" 的分层架构：

缓存（Cache）：速度最快、容量最小，用于缓存 CPU 频繁访问的指令和数据，减少主存访问延迟。
主存储器（SRAM/SDRAM）：速度较快，用于存放程序运行时的变量、堆栈等临时数据。
程序存储器（Flash）：速度中等，用于存储固件、操作系统等可执行代码。
外部扩展存储器（eMMC、SD 卡等）：容量大、成本低，用于存储大量用户数据、大型应用程序。

存储体系工作流程

系统上电后，CPU 从程序存储器（如 NOR Flash）的固定地址取出第一条指令。
指令和高频访问数据被加载到 Cache 和 CPU 寄存器中，提升执行效率。
程序运行时产生的变量、堆栈数据实时写入主存储器（SRAM/SDRAM）。
当需要运行大型应用或访问海量数据时，系统从外部扩展存储器（如 eMMC）读取数据到主存供 CPU 处理。

2.2 嵌入式时钟系统

时钟系统是嵌入式设备的 "心脏节拍器"，为 CPU 和外设提供同步工作的时间基准，没有时钟信号，CPU 和外设无法协调运行。

2.2.1 时钟信号的定义

时钟信号是具有固定周期的方波信号，通过高低电平的周期性交替，为数字电路提供同步时序。信号的周期决定时钟频率，频率越高，CPU 执行指令的速度越快。

2.2.2 时钟系统的核心作用

时钟信号是 STM32 各模块协同工作的 "时间基准"，主要承担以下角色：

CPU 指令执行 ：Cortex-M4 内核执行指令分为取指令、译码、执行三个阶段，时钟信号控制执行节奏。若一个周期执行一条指令，频率越高则单位时间内执行的指令数越多。
外设控制：STM32 的 GPIO、UART、定时器等所有外设均通过寄存器操作，寄存器值修改、外设功能触发必须在时钟信号配合下完成。
数据传输同步：串行通信（如 UART、SPI）需依赖时钟同步收发双方，确保数据正确传达。
定时与计数：时钟是 "时间的标尺"，通过计数时钟周期可实现定时（如定时器中断）和计数功能。

2.2.3时钟源分类

为解决功耗浪费 （外设时钟无用时持续耗电）和速度兼容（不同外设工作频率差异大）问题，STM32 采用 "多时钟源 + 按需分配" 设计。四类核心时钟源对比如下：

时钟源	名称	材质 / 实现	频率范围	典型应用
HSE	外部高速振荡时钟	石英晶体（精度高）	4-26MHz（常用 8MHz）	系统主时钟（经 PLL 倍频）
LSE	外部低速振荡时钟	石英晶体	32.768KHz	RTC 实时时钟、低功耗定时
HSI	内部高速振荡时钟	RC 振荡电路（精度低）	16MHz	系统时钟备份、启动阶段时钟
LSI	内部低速振荡时钟	RC 振荡电路	32KHz	独立看门狗、低功耗模式时钟

2.2.4时钟树与 PLL 锁相环

时钟树概念

微控制器的时钟传输路径如同 "大树的养分流动"：从外部晶振输入开始，经分频、倍频后分配到 CPU、外设、总线等各模块，这一路径称为时钟树。

PLL 锁相环（倍频核心）

PLL（锁相环）是 "倍频" 核心，可将 HSE/HSI 的低频信号放大到高频。例如，STM32F407 的 168MHz 系统主频即由8MHz HSE + PLL 倍频实现。

2.2.5RCC - 时钟的总控制器

RCC（Reset and Clock Control，复位与时钟控制）是管理 STM32 "时钟" 与 "复位" 的核心外设，通过寄存器集合实现所有时钟操作。

RCC 寄存器结构（关键模块）

cpp 复制代码

typedef struct {
  __IO uint32_t CR;        // 时钟控制：使能HSE/HSI、检测时钟就绪
  __IO uint32_t PLLCFGR;   // PLL配置：设置分频/倍频系数（M/N/P/Q）
  __IO uint32_t CFGR;      // 时钟配置：选择系统时钟源、总线预分频
  __IO uint32_t CIR;       // 时钟中断：使能时钟就绪中断
  __IO uint32_t AHB1RSTR;  // AHB1外设复位
  __IO uint32_t AHB2RSTR;  // AHB2外设复位
  __IO uint32_t AHB3RSTR;  // AHB3外设复位
  uint32_t RESERVED0;      // 保留位
  __IO uint32_t APB1RSTR;  // APB1外设复位
  __IO uint32_t APB2RSTR;  // APB2外设复位
  uint32_t RESERVED1[2];   // 保留位
  __IO uint32_t AHB1ENR;   // AHB1外设时钟使能（如GPIOA、DMA）
  __IO uint32_t AHB2ENR;   // AHB2外设时钟使能
  __IO uint32_t AHB3ENR;   // AHB3外设时钟使能
  uint32_t RESERVED2;      // 保留位
  __IO uint32_t APB1ENR;   // APB1外设时钟使能（如UART2、TIM2）
  __IO uint32_t APB2ENR;   // APB2外设时钟使能（如UART1、TIM1）
  // 低功耗、备份域等寄存器略
} RCC_TypeDef;

RCC 的核心功能

使能时钟源 ：通过CR寄存器操作（如RCC->CR |= RCC_CR_HSEON使能 HSE）。
配置 PLL ：通过PLLCFGR设置分频系数（M）、倍频系数（N）、系统时钟分频系数（P）。
使能外设时钟 ：通过AHBxENR/APBxENR（如RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN使能 GPIOA 时钟）。
选择系统时钟源 ：通过CFGR寄存器选择 PLL、HSE 或 HSI 作为 SYSCLK。

STM32 ——嵌入式 存储系统、时钟系统（F407 系列）

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