【STM32】STM32时钟系统和SystemInit函数解读

时钟系统就是CPU的脉搏，像人的心跳一样，重要性不言而喻。由于STM32本身十分复杂，外设非常多，但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率，比如看门狗以及RTC只需要几十k的时钟即可。并且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的MCU都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。

STM32F1xx官方资料：

《STM32中文参考手册V10》-第六章 复位和时钟控制 RCC

STM32的时钟系统

STM32的时钟系统图

上图是STM32的时钟系统图。STM32 有5个时钟源：HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，在图中有红色方框标记的位置。从时钟频率来分可以分成高速时钟源和低速时钟源，在这5个中HSI、HSE和PLL是高速时钟源，LSI和LSE是低速时钟源。从时钟来源来分可以分成外部时钟源和内部时钟源。外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源。其中，HSE和ISE是外部时钟源，其他的是内部时钟源。下面来看看STM32的5个时钟源：

HSI（High Speed Internal）是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz，精度不高；

HSE（High Speed External）是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz；

LSI（Low Speed Internal）是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz，提供低功耗时钟。独立看门狗的时钟源只能是LSI，同时LSI还可以做PTC的时钟源；

LSE（Low Speed External）是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。这个主要是RTC的时钟源。

PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz。

下面分析一下，图中A-E标识的五个地方：

A：STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8，时钟输出引脚)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟。这个时钟可以用来给外部其他系统提供时钟源；

B：这里是RTC的时钟源，可以选择LSI、LSE以及HSE的128分频；

C：此处的USB时钟源来自于PLL时钟源。STM32有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个48MHz的时钟源。该时钟源只能由PLL输出端获取，若PLL输出72MHz，则1.5分频；若PLL输出48MHz，则1分频。也就是说，当需要使用USB模块的时候，PLL必须使能；

D：STM32的系统时钟SYSCLK，提供STM32的绝大多数部件工作的时钟源。它的来源可以是三个时钟源：HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟和PLL时钟。系统时钟的最大频率为72MHz。

E：这里指的就是其他的所有外设了，这些外设的时钟来源都是SYSCLK。SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括：

AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟（最大72MHz）；

通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟，也就是systick了；

直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK；

送给APB1分频器。APB1分频器输出一路给APB1外设使用（PCLK1，最大频率36MHz），另一路给通用定时器使用；

送给APB2分频器。APB2分频器输出一路给APB2外设使用（PCLK2，最大频率72MHz），另一路给定时器使用；

APB1和APB2的区别

这里需要理解一下APB1和APB2的区别：

APB1上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等；

而APB2上面连接的是高速外设，包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口（PA-PE）、第二功能I/O（AFIO）口等。

在上面的时钟输出中，有很多是带使能控制的，例如AHB总线时钟、内核时钟、各种APB1外设、APB2外设等等。当使用某模块时，记得一定要先使能其相应的时钟。

SystemInit函数

STM32时钟系统的配置除了初始化的时候在system_stm32f10x.c中的SystemInit函数中外，其他的配置主要在stm32f10x_rcc.c文件中，需要对这个文件好好研究一下。本文主要看一下初始化时的SystemInit函数：

void SystemInit (void)

{

  /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(for debug purpose) */

  /* Set HSION bit */

  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;

  /* Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits */

#ifndef STM32F10X_CL

  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;

#else

  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF0FF0000;

#endif /* STM32F10X_CL */   

  /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */

  RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;

  /* Reset HSEBYP bit */

  RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

  /* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */

  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;

#ifdef STM32F10X_CL

  /* Reset PLL2ON and PLL3ON bits */

  RCC->CR &= (uint32_t)0xEBFFFFFF;

  /* Disable all interrupts and clear pending bits  */

  RCC->CIR = 0x00FF0000;

  /* Reset CFGR2 register */

  RCC->CFGR2 = 0x00000000;

#elif defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)

  /* Disable all interrupts and clear pending bits  */

  RCC->CIR = 0x009F0000;

  /* Reset CFGR2 register */

  RCC->CFGR2 = 0x00000000;      

#else

  /* Disable all interrupts and clear pending bits  */

  RCC->CIR = 0x009F0000;

#endif /* STM32F10X_CL */

#if defined (STM32F10X_HD) || (defined STM32F10X_XL) || (defined STM32F10X_HD_VL)

  #ifdef DATA_IN_ExtSRAM

    SystemInit_ExtMemCtl(); 

  #endif /* DATA_IN_ExtSRAM */

#endif 

  /* Configure the System clock frequency, HCLK, PCLK2 and PCLK1 prescalers */

  /* Configure the Flash Latency cycles and enable prefetch buffer */

  SetSysClock();

#ifdef VECT_TAB_SRAM

  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */

#else

  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */

#endif 

}

SystemInit函数主要就是完成系统初始化时的默认状态的设置，同时系统时钟默认是在SetSysClock()函数中来进行判断的，而判断的依据则是通过宏定义设置的。先看看SetSysClocks()函数：

static void SetSysClock(void)

{

#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE

  SetSysClockToHSE();

#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz

  SetSysClockTo24();

#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz

  SetSysClockTo36();

#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz

  SetSysClockTo48();

#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz

  SetSysClockTo56();  

#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz

  SetSysClockTo72();

#endif

 /* If none of the define above is enabled, the HSI is used as System clock

    source (default after reset) */ 

}

这段代码很简单，就是判断系统宏定义的时钟是多少，然后设置相应值。系统默认的宏定义是72HMz：

#if defined (STM32F10X_LD_VL) || (defined STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)

/* #define SYSCLK_FREQ_HSE    HSE_VALUE */

 #define SYSCLK_FREQ_24MHz  24000000

#else

/* #define SYSCLK_FREQ_HSE    HSE_VALUE */

/* #define SYSCLK_FREQ_24MHz  24000000 */ 

/* #define SYSCLK_FREQ_36MHz  36000000 */

/* #define SYSCLK_FREQ_48MHz  48000000 */

/* #define SYSCLK_FREQ_56MHz  56000000 */

#define SYSCLK_FREQ_72MHz  72000000

#endif

接下来就选择进入SetSysClockTo72()函数，我们看一下这个函数的内容：

static void SetSysClockTo72(void)

{

  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;

  /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    

  /* Enable HSE */    

  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

  /* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */

  do

  {

    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;

    StartUpCounter++;  

  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)

  {

    HSEStatus = (uint32_t)0x01;

  }

  else

  {

    HSEStatus = (uint32_t)0x00;

  }  

  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)

  {

    /* Enable Prefetch Buffer */

    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;

    /* Flash 2 wait state */

    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);

    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    

    /* HCLK = SYSCLK */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

    /* PCLK2 = HCLK */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;

    /* PCLK1 = HCLK/2 */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;

    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */

    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |

                                        RCC_CFGR_PLLMULL));

    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);

    /* Enable PLL */

    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /* Wait till PLL is ready */

    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)

    {

    }

    /* Select PLL as system clock source */

    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    

    /* Wait till PLL is used as system clock source */

    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)

    {

    }

  }

  else

  { /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock 

         configuration. User can add here some code to deal with this error */

  }

}

这里主要的内容就是下面这一段：

    /* HCLK = SYSCLK */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

    /* PCLK2 = HCLK */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;

    /* PCLK1 = HCLK */

    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;

    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */

    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |

                                        RCC_CFGR_PLLMULL));

    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);

设置SYSCLK为72MHz，HCLK=SYSCLK，PCLK1=SYSCLK/2，PCLK2=SYSCLK。总而言之，即通过HSE（8MHz）倍频9倍成SYSCLK（72MHz），然后直接输出为HCLK（72MHz）、PCLK2（72HMz）、PCLK1（36HMz）。

相对应的，如果说宏定义不是SYSCLK_FREQ_72MHz ，而是其他的宏定义。那么就会进入各自的SetSysClockToxx()函数，比如说SetSysClockTo54()、SetSysClockTo36()等等。然后在相应的程序中，会对SYSCLK等进行赋值。

同时，在设置好系统时钟之后，可以通过变量SystemCoreClock来获取系统时钟值。这也是在stm32f10x.c文件中设置的：

#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_HSE;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_24MHz;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_36MHz;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_48MHz;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_56MHz;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz

  uint32_t SystemCoreClock         = SYSCLK_FREQ_72MHz;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#else /*!< HSI Selected as System Clock source */

  uint32_t SystemCoreClock         = HSI_VALUE;        /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */

#endif

总结与分析

这里总结一下SystemInit函数默认设置的系统时钟的大小：

时钟名称 时钟大小

SYSCLK（系统时钟） 72MHz

HCLK（AHB总线时钟） 72MHz

PCLK1（APB1总线时钟） 36MHz

PCLK2（APB2总线时钟） 72MHz

PLL时钟 72MHz