STM32时钟系统以及配置及源码分析

1.STM32F429时钟概述

时钟系统是 CPU 的脉搏，就像人的心跳一样。所以时钟系统的重要性就不言而喻了。 STM32有多个时钟来源的选择，采用一个系统时钟不是很简单吗？为什么 STM32 要有多个时钟源呢？ 因为首先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

下面是stm32f4的时钟系统图：

STM32 有5个时钟源:HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

 ①、HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为16MHz，精度不高。可以直接作为系统时钟或者用作PLL时钟输入。  

 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~26MHz。(此处以25M为例)

 ③、LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为32kHz，提供低功耗时钟。主要供独立看门狗和自动唤醒单元使用。  

 ④、LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。RTC  

 ⑤、PLL为锁相环倍频输出。

附录：

 PLL 为锁相环倍频输出。 STM32F4 有三个 PLL:

1） 主 PLL(PLL)由 HSE 或者 HSI 提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟。第一个输出 PLLP 用于生成高速的系统时钟（最高 180MHz）第二个输出 PLLQ 为 48M 时钟， 用于 USB OTG FS 时钟，随机数发生器的时钟和 SDIO时钟。

2） 第一个专用 PLL(PLLI2S)用于生成精确时钟， 在 I2S 和 SAI1 上实现高品质音频性能。 其中， N 是用于 PLLI2S vco 的倍频系数，其取值范围是： 192~432； R 是 I2S 时钟的分频系数，其取值范围是： 2~7； Q 是 SAI 时钟分频系数，其取值范围是： 2~15； P 没用到。

3） 第二个专用 PLL(PLLSAI)同样用于生成精确时钟，用于 SAI1 输入时钟，同时还为 LCD_TFT接口提供精确时钟。 其中， N 是用于 PLLSAI vco 的倍频系数，其取值范围是： 192~432；Q 是 SAI 时钟分频系数，其取值范围是： 2~15； R 是 LTDC 时钟的分频系数，其取值范围是： 2~7； P 没用到。

例子：主 PLL 时钟第一个高速时钟输出 PLLP 的计算方法：配置180MHz为例：

分析：主 PLL 时钟的时钟源要先经过一个分频系数为 M 的分频器，然后经过倍频系数为 N 的倍频器出来之后还需要经过一个分频系数为 P（第一个输出 PLLP）或者 Q（第二个输出 PLLQ）的分频器分频之后，最后才生成最终的主 PLL 时钟。例如我们的外部晶振选择 25MHz。同时我们设置相应的分频器 M=25，倍频器倍频系数 N=360，分频器分频系数 P=2，那么主 PLL 生成的第一个输出高速时钟 PLLP 为：

PLL=25MHz * N/ (M*P)=25MHz* 360 /(25*2) = 180MHz

配置过程如下图所示： 

2.系统时钟的初始化寄存器源码分析

在系统进入主函数之前，首先会执行SystemInit这个函数对系统进行初始化

看一看这个程序的内容：

源代码如下：

void SystemInit(void)

{

/* FPU 设置------------------------------------------------------------*/

#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)

SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */

#endif

/* 复位 RCC 时钟配置为默认配置-----------*/

RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;//打开 HSION 位

RCC->CFGR = 0x00000000;//复位 CFGR 寄存器

RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;//复位 HSEON, CSSON and PLLON 位

RCC->PLLCFGR = 0x24003010; //复位寄存器 PLLCFGR

RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;//复位 HSEBYP 位

RCC->CIR = 0x00000000;//关闭所有中断

#if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)

SystemInit_ExtMemCtl();

#endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */

/* 配置中断向量表地址=基地址+偏移地址 ------------------*/

#ifdef VECT_TAB_SRAM

SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET;

#else

SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;

#endif

}

可以看出这段代码的作用是：

1） FPU 设置

2） 复位 RCC 时钟配置为默认复位值（默认开始了 HIS）

3） 外部存储器配置

4） 中断向量表地址配置

做了这些工作，但是在F4的HAL库汇总SystemInit函数，并没有设置系统的主频和外设时钟的频率，所以所以需要自己去写这个函数。

首先先分析一下使用寄存器版本来写的SystemInit函数吧：

//系统时钟初始化函数

//plln:主PLL倍频系数(PLL倍频),取值范围:64~432.

//pllm:主PLL和音频PLL分频系数(PLL之前的分频),取值范围:2~63.

//pllp:系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)

//pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.

void Stm32_Clock_Init(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)

{  

RCC->CR|=0x00000001; //设置HISON,开启内部高速RC振荡

RCC->CFGR=0x00000000; //CFGR清零 

RCC->CR&=0xFEF6FFFF; //HSEON,CSSON,PLLON清零 

RCC->PLLCFGR=0x24003010; //PLLCFGR恢复复位值 

RCC->CR&=~(1<<18); //HSEBYP清零,外部晶振不旁路

RCC->CIR=0x00000000; //禁止RCC时钟中断 

Sys_Clock_Set(plln,pllm,pllp,pllq);//设置时钟 

//配置向量表   

#ifdef  VECT_TAB_RAM

MY_NVIC_SetVectorTable(1<<29,0x0);

#else   

MY_NVIC_SetVectorTable(0,0x0);

#endif 

}   

这个函数需要的参数是4个，分别与系统原理图对应的是，如下图所示：

接下来，查看时钟控制CR寄存器的描述：

1.开启HISON，开启内部高速RC震荡

2.时钟配置寄存器CFRG清零

3.配置时钟控制CR寄存器， 使位HSEON,CSSON,PLLON清零（第16、19、24位） 

4.RCC PLL 配置寄存器 (RCC_PLLCFGR),恢复默认值：RCC->PLLCFGR=0x24003010;    //PLLCFGR恢复复位值

5.设置CR寄存器，外部晶振不旁路

6.RCC 时钟中断寄存器 (RCC_CIR)，RCC->CR=0X00000000;  //禁止RCC时钟中断

7.设置时钟，使用函数Sys_Clock_Set(plln,pllm,pllp,pllq);//设置时钟，函数原型如下：

u8 Sys_Clock_Set(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)

{ 

u16 retry=0;

u8 status=0;

RCC->CR|=1<<16; //HSE 开启 

while(((RCC->CR&(1<<17))==0)&&(retry<0X1FFF))retry++;//等待HSE RDY

if(retry==0X1FFF)status=1; //HSE无法就绪

else   

{

RCC->APB1ENR|=1<<28; //电源接口时钟使能

PWR->CR|=3<<14; //高性能模式,时钟可到180Mhz

RCC->CFGR|=(0<<4)|(5<<10)|(4<<13);//HCLK 不分频;APB1 4分频;APB2 2分频. 

RCC->CR&=~(1<<24); //关闭主PLL

RCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);//配置主PLL,PLL时钟源来自HSE

RCC->CR|=1<<24; //打开主PLL

while((RCC->CR&(1<<25))==0);//等待PLL准备好 

FLASH->ACR|=1<<8; //指令预取使能.

FLASH->ACR|=1<<9; //指令cache使能.

FLASH->ACR|=1<<10; //数据cache使能.

FLASH->ACR|=5<<0; //5个CPU等待周期. 

RCC->CFGR&=~(3<<0); //清零

RCC->CFGR|=2<<0; //选择主PLL作为系统时钟  

while((RCC->CFGR&(3<<2))!=(2<<2));//等待主PLL作为系统时钟成功. 

} 

return status;

}  

8.RCC->CR|=1<<16;                //设置CR寄存器的第16位为1，HSE 开启

9.等待HSE时钟就绪，判断CR寄存器的第17位是否为1，返回1准备就绪，如果超时，返回标志位status=1.

10.如果准备就绪，使能电源接口时钟，RCC->APB1ENR|=1<<28;    //设置APB1ENR寄存器28位为1电源接口时钟使能

11.开始电源的高性能模式，PWR->CR|=3<<14;         //高性能模式,时钟可到180Mhz

11.配置RCC的CFGR寄存器，//HCLK 不分频;APB1 4分频;APB2 2分频

12.RCC->CR&=~(1<<24);    //关闭主PLL，配置主PLL的一些参数，配置完再重新打开

13.//配置主PLL,PLL时钟源来自HSE，RCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);

pllm,设置PLLM

(plln<<6)，设置PLLN

(((pllp>>1)-1)<<16),设置系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)

为何是：(((pllp>>1)-1)<<16)呢？如下解释，当我们取值pllp为2时，可以得到(((pllp>>1)-1)<<16)=0

当pllp取值为4时，(((pllp>>1)-1)<<16)=1，同理，pllp取值为6时，(((pllp>>1)-1)<<16)=3.其实就是在调用函数的时候方便设置。可以看都这个寄存器的位，当第17:16为0时，就是这只pllp为2分频。

(pllq<<24)，pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.

(1<<22)，选择主PLL的时钟源是HSE外部震荡时钟、

所以第13步骤，完成的工作就是如下如所示的设置：

14.设置完主PLL之后，重新打开主PLL:  RCC->CR|=1<<24;            //打开主PLL

15.每次打开PLL之前，都要等待就绪：while((RCC->CR&(1<<25))==0);//等待PLL准备好 

16.设置FLASH寄存器参数：

FLASH->ACR|=1<<8;        //指令预取使能.

FLASH->ACR|=1<<9;        //指令cache使能.

FLASH->ACR|=1<<10;        //数据cache使能.

FLASH->ACR|=5<<0;        //5个CPU等待周期.

17.设置CFRG(RCC时钟配置寄存器)选择PLL作为系统时钟，RCC->CFGR&=~(3<<0);      //清零 RCC->CFGR|=2<<0;     

18.等待主PLL设置为系统主时钟成功：while((RCC->CFGR&(3<<2))!=(2<<2));

语句含义：当CFGR的3：2位不等于01时就说明主PLL还未就绪，就绪等待。

19.最后一步，配置向量表。

通过这样的设置系统时钟的整体配置就OK了。

如果调用函数：u8 Sys_Clock_Set(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)，产生180Mhz的主频

设置参数：外部晶振为25M的时候:plln=360,pllm=25,pllp=2,pllq=8.

3.系统时钟的初始化HAL库函数源码分析

3.1.HAL库主要是把寄存器进行封装，然后把一些参数合并到一个结构体，通过调用结构体的方式对寄存器进行赋值，间接的完成对STM32寄存器的配置。

主要是下面两个结构体：

1.RCC_OscInitTypeDef结构体：

解释：从结构体的名称可以看的出来，这个结构体主要是选择时钟源，然后是时钟的状态（开启还是关闭）

可以看到RCC_OscInitTypeDef 里面还嵌套了一个RCC_PLLInitTypeDef结构体，主要是用于主PLL配置用的。比如设置M分频，vco倍频等。

RCC_PLLInitTypeDef 结构体如下:

1.所以，第一步是定义一个RCC_OscInitTypeDef 结构体变量，并给这个结构体变量赋值，然后调用，HAL_RCC_OscConfig函数，把这个结构体变量传进去，使设置生效。

代码如下：

RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStructure;  //定义一个结构体变量

RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;    //时钟源为HSE

RCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON;                      //打开HSE

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;//打开PLL

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;//PLL时钟源选择HSE

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLM=pllm; //主PLL和音频PLL分频系数(PLL之前的分频),取值范围:2~63.

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLN=plln; //主PLL倍频系数(PLL倍频),取值范围:64~432.  

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLP=pllp; //系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLQ=pllq; //USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.

ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化

最重要的还是看一下HAL库里面是如何对我们赋予这个结构体变量的值进行操作的：也就是HAL_RCC_OscConfig函数：

OscillatorType 这个成员变量是选择时钟时钟源的，可以看一下他的取值范围：取值范围小于15

其实在HAL库有对每一个时钟源进行宏定义的，如下：

在程序中，我们设置这个成员变量的值是：RCC_OSCILLATORTYPE_HSE ，就是值为：0x00000001

HSEState 是选择时钟的工作方式，此处选择：RCC_HSE_ON,值为：0x01

在HAL_RCC_OscConfig，函数中对HSE的配置如下,贴出一部分代码：

/* Check the parameters */

  assert_param(IS_RCC_OSCILLATORTYPE(RCC_OscInitStruct->OscillatorType));

  /*------------------------------- HSE Configuration ------------------------*/ 

  if(((RCC_OscInitStruct->OscillatorType) & RCC_OSCILLATORTYPE_HSE) == RCC_OSCILLATORTYPE_HSE)

  {

    /* Check the parameters */

    assert_param(IS_RCC_HSE(RCC_OscInitStruct->HSEState));

    /* When the HSE is used as system clock or clock source for PLL in these cases HSE will not disabled */

  //判断HSE是否作为系统时钟，或者作为PLL时钟的来源

// RCC_CFGR_SWS_HSE=0x00000004

//__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE函数，获取CFGR位 3:2 SWS： 系统时钟切换状态 (System clock switch status)

  //判断3:2位是否为01，含义：01： HSE 振荡器用作系统时钟，这两个位为只读

  //也就是判断此时系统时钟或者主PLL时钟是否已经设置为HSE

  //RCC_CFGR_SWS_PLL=0x00000008 ,判断CFGR的第3为是否为1

    if((__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE() == RCC_CFGR_SWS_HSE)                                                                     ||

      ((__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE() == RCC_CFGR_SWS_PLL) && ((RCC->PLLCFGR & RCC_PLLCFGR_PLLSRC) == RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE)))

    {   //PLL作为系统时钟，  RCC_PLLCFGR_PLLSRC=0x00400000，第22位，是否选择：1：选择 HSE 振荡器时钟作为 PLL 和 PLLI2S 时钟输入

//如果HSE作为系统时钟来源，或者作为PLL时钟来源的话

      if((__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) != RESET) && (RCC_OscInitStruct->HSEState == RCC_HSE_OFF))

      {

  //此时HSE已经打开了，或HSE没有使能，这里的任何一种情况都会导致失败

        return HAL_ERROR;

      }

    }

    else  //否则的话，系统的时钟还没有进行初始化

    {

      /* Reset HSEON and HSEBYP bits before configuring the HSE --------------*/