STM32学习笔记之时钟分析

本文结合网上的两篇时钟分析文章，并结合本人的理解来分析STM32的时钟系统。

众所周知，一个微控制器或处理器的运行必须要依赖周期性的时钟脉冲来驱动，通常是通过外接晶振来实现的。在学习单片机（51系列，AVR系列，PIC系列）的过程中，只要设定了外接晶振，我们就只关心的时序图，无需再进行时钟的配置，而STM32微控制器的时钟树则是可配置的，其时钟输入源与最终达到外设处的时钟速率不再有固定的关系，本文将来详细解析STM32微控制器的时钟树。

在官方提供的STM32参考手册或数据手册中，提供了如下的时钟树结构图:

为了方便分析，简化为如下的时钟树，

由图可知：STM32主要有5个时钟源，分别为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，如灰蓝色如示，而PLL是由锁相环电路倍频得到PLL时钟。从上到下分析，分别 为：

1. HSI是高速内部时钟，内置RC振荡器，频率为8MHz；

2. HSE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，一般接8MHz石英晶振；

3. LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体，主要提供一个精确的时钟源一般作为RTC时钟使用；

4. LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz。它供独立看门狗IWDG使用，另外它还可以被选择为实时时钟RTC的时钟源。另外，实时时钟RTC的时钟源还可以选择LSE，或者是HSE的128分频。RTC的时钟源通过RTCSEL[1:0]来选择；

5. 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。 

系统时钟SYSCLK，它是供STM32中绝大部分部件工作的时钟源。系统时钟可选择为PLL输出、HSI或者HSE。系统时钟最大频率为72MHz，它通过AHB分频器分频后送给各模块使用，AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。其中AHB分频器输出的时钟送给5大模块使用：

1. 送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟；

2. 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟；

3. 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK；

4. 送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB1外设使用(PCLK1，最大频率36MHz)，另一路送给定时器(Timer)2、3、4倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2、3、4使用；

5. 送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率72MHz)，另一路送给定时器(Timer)1倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器1使用。另外，APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。

另外:

（1）STM32中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL输出端获取，可以选择为1.5分频或者1分频，也就是，当需要使用USB模块时，PLL必须使能，并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。
（2）STM32还可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟。

在STM32处理器，对应每一模块，都需要为其配置时钟源，我们将官方提供的时钟树再进行细化，就得到如下的时钟树，其中图中的标号分别为：1：内部低速振荡器（LSI，40Khz）；2：外部低速振荡器（LSE，32.768Khz）；3：外部高速振荡器（HSE，3-25MHz）；4：内部高速振荡器（HIS，8MHz）；5：PLL输入选择位；6：RTC时钟选择位；7：PLL1分频数寄存器；8：PLL1倍频寄存器；9：系统时钟选择位；10：USB分频寄存器；11：AHB分频寄存器；12：APB1分频寄存器；13：AHB总线；14：APB1外设总线；15：APB2分频寄存器；16：APB2外设总线；17：ADC预分频寄存器；18：ADC外设；19：PLL2分频数寄存器；20：PLL2倍频寄存器；21：PLL时钟源选择寄存器；22：独立看门狗设备；23：RTC设备

  假设我们要设置位于APB2控制的GPIO外设时钟，则我们得到的时钟轨迹应该是：3-->5-->7-->21-->8-->9-->11-->15-->16。即：首先（3）是外部的3-25MHz（前文已假设为8MHz）输入；通过（5）PLL选择位预先选择后续PLL分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；设置（7）外部晶振的分频数（假设1分频）；选择（21）PLL倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；对于8，设置（8）PLL倍频数（假设9倍频）；选择（9）系统时钟源（假设选择经过PLL倍频所输出的时钟）；设置（11）AHB总线分频数（假设1分频）；设置（15）APB2总线分频数（假设1分频）；时钟到达APB2总线（16）。

GPIO设备的最大驱动时钟速率（各个条件已在上述要点中假设）：

1)   由3所知晶振输入为8MHz，由5——21知PLL的时钟源为经过分频后的外部晶振时钟，并且此分频数为1分频，因此首先得出PLL的时钟源为：8MHz / 1 = 8MHz。

2)   由8、9知PLL倍频数为9，且将PLL倍频后的时钟输出选择为系统时钟，则得出系统时钟为 8MHz * 9 = 72MHz。

3)   时钟到达AHB预分频器，由11知时钟经过AHB预分频器之后的速率仍为72MHz。

4)   时钟到达APB2预分频器，由15经过APB2预分频器后速率仍为72MHz。

5)   时钟到达APB2总线外设。

因此STM32的APB2总线外设，所能达到的最大速率为72MHz。

接下来从程序的角度分析时钟树的设置，程序清单如下：

[cpp] view plain copy

1. void RCC_Configuration(void)  

2. {  

3.        ErrorStatusHSEStartUpStatus;                                                                                                （1）  

4. RCC_DeInit();                                                                                                                              （2）  

5. RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);                                                                                             （3）  

6.        HSEStartUpStatus= RCC_WaitForHSEStartUp();                                                                 （4）  

7.        if(HSEStartUpStatus== SUCCESS)                                                                                            （5）  

8.        {  

9.          RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);                                                                          （6）  

10.               RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);                                                                          （7）  

11.              RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);                                                                            （8）  

12.         FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                                                                        （9）  

13.              FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);                                    （10）  

14.               RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);                                      （11）  

15.        RCC_PLLCmd(ENABLE);                                                                                                         （12）  

16.               while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY)== RESET);                                                    （13）  

17.          RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);                                                           （14）  

18.               while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);                                                                          （15）  

19.        }  

20. }  

即：
（1）定义一个ErrorStatus类型的变量HSEStartUpStatus；
（2）将时钟树复位至默认设置；
（3）开启HSE晶振；
（4）等待HSE晶振起振稳定，并将起振结果保存至HSEStartUpStatus变量中；
（5）判断HSE晶振是否起振成功（假设成功了，进入if内部）；
（6）设置HCLK时钟为SYSCLK的1分频；
（7）设置PLCK2时钟为SYSCLK的1分频；
（8）设置PLCK1时钟为SYSCLK的2分频；
（11）选择PLL输入源为HSE时钟经过1分频，并进行9倍频；
（12）使能PLL输出；
（13）等待PLL输出稳定；
（14）选择系统时钟源为PLL输出；
（15）等待系统时钟稳定；

注：（1）PLLCLK表示PLL锁相环的输出时钟，SYSCLK表示系统时钟，HCLK表示AHB总线的时钟，PCLK1表示APB1总线的时钟，PCLK2则表示APB2总线的时钟

（2）以上是ST官方所提供的STM32时钟树配置函数