STM32基础篇--复位和时钟控制RCC

标签：RTC HSE -- STM32 单片机 RCC main 外设时钟

1.时钟树

1.1 时钟

问：什么是时钟？为什么要有时钟？时钟是怎么产生的？

（1）什么是时钟？

时钟就是具有周期性的脉冲信号，相当于单片机的心脏，给单片机提供一个统一的信号，要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟。

对CPU来说，假设CPU在一个时钟周期内执行一条指令，若时钟频率越高，则时钟周期更短，则在相同的时间CPU能够执行更多的指令，CPU的运行速度更快。

（2）为什么要有时钟？

时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。时钟就是CPU的脉搏，决定cpu速率，像人的心跳一样只有有了心跳，人才能做其他的事情，而单片机有了时钟，才能够运行执行指令，才能够做其他的处理 (点灯，串口等等其他操作)，时钟的重要性不言而喻。

（3）时钟是怎么产生的？

时钟产生比较复杂，方法也有很多种,但它们都是从晶体谐振器(简称晶振)开始的，在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，机械形变振动又会产生交变电场，尽管这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。（我只能说神奇的物理世界）

1.2 时钟树概述

STM32时钟系统主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，为了降低整个芯片的功耗，所有外设时钟默认都是关闭状态(disable)，当我们使用某个外设就要开启这个外设的时钟(enable)。

不同外设需要的时钟频率不同，没必要所有外设都用高速时钟造成浪费，而且有些外设也接受不了这么高的频率，这也是为什么STM32有四个时钟源（HSE、 LSE、HSI、LSI）的原因，就是为了兼容不同速度的外设。

而51单片机不需要配置时钟，是因为一个时钟开了之后所有的功能都可以用了，而这个时钟是默认开启的，所以51单片机无法做到低功耗。

STM32时钟系统主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，也是为了降低整个芯片的耗能。时钟树框图见《STM32F4xx中文参考手册》6.2章节

1.3 主时钟树详解

在STM32中，有4个时钟源：

① LSI（Low Speed Internal Clock, 低速内部时钟）：RC振荡器，频率为32KHz。独立看门狗的时钟源只能是LSI，同时LSI还可以做RTC的时钟源。

② LSE（Low Speed External Clock, 低速外部时钟）：接频率为32.768KHz的石英晶体，LSE主要是RTC的时钟源。

③ HSI（High Speed Internal Clock, 高速内部时钟）：RC振荡器，频率为16MHz，精度不高。

④ HSE（High Speed External Clock, 高速外部时钟）：可接石英/陶瓷谐振器，或外接时钟源，频率范围是2MHz~26MHz。（我们的开发板用的是一个8Mhz的晶振）

⑤ PLL（Phase Locked Loop, 锁相环倍频输出）：理论上不能算是时钟源，只是接收时钟源后对其进行分/倍频，分/倍频倍数可修改参数调节。（我们的开发板最大可输出168Mhz）

注意: 以上频率仅针对STM32F40x，其它的以数据手册为准

其中 ③ ④ ⑤ 是来驱动系统时钟 (SYSCLK)的。

1.3.1 HSE 高速外部时钟信号

可以由有源晶振或者无源晶振提供，频率从4-26MHZ 不等，我们的开发板使用的是8MHZ的晶振，当HSE 故障时，高速的内部时钟信号HSI会作为备用的系统时钟，直到HSE恢复正常。直接作为系统时钟来源或者经过128分频作为RTC时钟来源。使能之后要等待时钟稳定。

1.3.2 HSI高速内部时钟信号

直接作为系统时钟的来源。

1.3.3 LSE低速外部时钟信号

作为RTC时钟来源

1.3.4 LSI低速内部时钟信号

为RTC提供时钟；为独立看门狗提供时钟

2. 锁相环PLL

PLL 的主要作用是对时钟进行倍频，然后把时钟输出到各个功能部件，由HSE振荡器或者HSI 振荡器提供时钟输入信号。

输入来源高速外部时钟（HSE）二分频或不分频直接输入；高速内部时钟二分频输入。

主PLL 有两路的时钟输出，第一个输出时钟PLLCLK（78MHZ）用于系统时钟，F407 里面最高是168M。

第二个输出用于USB OTG FS 的时钟（48M）、RNG 和SDIO 时钟（<=48M）

专用的PLLI2S 用于生成精确时钟，给I2S 提供时钟。

PLLCLK的计算公式为：

VCOCLK_IN = PLLCLK_IN / M

VCOCLK_OUT = VCOCLK_IN * N

PLLCLK_OUT=VCOCLK_OUT/P

3. 系统时钟SYSCLK

系统时钟来源可以是：HSI、PLLCLK、HSE，具体的由时钟配置寄存器RCC_CFGR 的SW 位配置。我们这里设置系统时钟：SYSCLK = PLLCLK =168M。

如果系统时钟是由HSE 经过PLL 倍频之后的PLLCLK 得到，当HSE 出现故障的时候，系统时钟会切换为HSI=16M，直到HSE 恢复正常为止。

4. APB2 总线时钟PCLK2

APB2 总线时钟PCLK2 由HCLK 经过高速APB2 预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR 的PPRE2 位设置。PCLK2 属于高速的总线时钟，最高可达72MHZ,片上高速的外设就挂载到这条总线上，比如全部的GPIO、USART1、SPI1 等。

这里设置为2 分频，即PCLK2 = HCLK /2= 84M

5. APB1 总线时钟PCLK1

APB1 的低速总线时钟PCLK1 由HCLK 经过低速APB 预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，

具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR 的PPRE1 位设置。PCLK1 属于低速的总线时钟，最高为42M（有的教材写是36MHZ），

片上低速的外设就挂载到这条总线上，比如USART2/3/4/5、SPI2/3，I2C1/2 等。

这里设置为4 分频，即PCLK1= HCLK/4 = 42M。

6.RTC时钟

RTC时钟：为芯片内部的RTC外设提供时钟

来源：HSE_RTC(HSE分频得到)、LSE(外部32.768KHZ的晶体提供)、LSI（32KHZ）

控制：RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR:RTCSEL位控制

独立看门狗时钟：IWDGCLK,由LSI提供

7.时钟安全系统（css）

监视高速外部时钟HSE的工作状态。若HSE失效，会自动切换，会自动切换高速内部时钟HSI作为系统时钟的输入，保证系统的正常运行。一旦CSS被激活，并且HSE时钟出现故障，CSS中断就产生，并且NMI也自动产生。NMI将被不断执行，直到CSS中断挂起位被清除。

8. MCO时钟输出

9. I2S时钟

I2S 时钟可由外部的时钟引脚I2S_CKIN 输入，也可由专用的PLLI2SCLK 提供，具体的由RCC 时钟配置寄存器(RCC_CFGR) 的I2SSCR 位配置

10. 启动文件

提问：在main函数里，我们没有调用任何函数修改时钟参数，那么时钟频率被修改后是怎么生效的呢？

启动文件由汇编编写，是系统上电复位后第一个执行的程序。主要做了以下工作：

1.初始化堆栈指针SP=_initial_sp

2.初始化PC 指针=Reset_Handler

3.初始化中断向量表

4.配置系统时钟

5.调用C 库函数_main 初始化用户堆栈，从而最终调用main 函数去到C 的世界

比如：

Stack_Size      EQU     0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

开辟栈的大小为0X00000400（1KB），名字为STACK_Size，NOINIT 即使不初始化，可读可写，8（2^3）字节对齐。

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

SystemInit() 是一个标准的库函数，在system_stm32f4xx.c 这个库文件总定义，主要作用是配置系统时钟。__main 是一个标准的C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，最终调用main 函数去到C 的世界。这就是为什么我们写的程序都有一个main 函数的原因。如果我们在这里不调用__main，那么程序最终就不会调用我们C 文件里面的main。

回到刚刚的问题：在main函数里，我们没有调用任何函数修改时钟参数，那么时钟频率被修改后是怎么生效的呢？

答：既然main函数没有调用，那修改时钟的操作当然是在main函数之前执行的SystemInit()函数设置的了。

针对F4主控板调节系统时钟