STM32单片机的原理详解 STM32时钟系统的配置方法

2023-08-25 10:34:49  来源:电子工程师笔记

1.概述


(资料图片仅供参考)

时钟是单片机的脉搏,是单片机的驱动源,使用任何一个外设都必须打开相应的时钟。这样的好处是,如果不使用一个外设的时候,就把它的时钟关掉,从而可以降低系统的功耗,达到节能,实现低功耗的效果。

每个时钟tick,系统都会处理一步数据,这样才能让工作不出现紊乱。

2.原理

首先,任何外设都需要时钟,51单片机STM32,430等等,因为寄存器是由D触发器组成的,往触发器里面写东西,前提条件是有时钟输入。

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,比如有一个水库,水库有很多个门,这些门默认是开启的,所以每个门都会出水,我们需要哪个门的水的时候可以直接用,但是也存在一个问题,其他没用到的门也在出水,即也在耗能。这里水库可以认为是能源,门可以认为是每个外设的使用状态,时钟可以认为是门的开关。

STM32之所以是低功耗,他将所有的门都默认设置为disable,在你需要用哪个门的时候,开哪个门就可以,也就是说用到什么外设,只要打开对应外设的时钟就可以,其他的没用到的可以还是disable,这样耗能就会减少。

在51单片机中一个时钟把所有的都包了,而stm32的时钟是有分工的,并且每类时钟的频率不一样,因为没必要所有的时钟都是最高频率,只要够用就行,好比一个门出来水流大小,我只要洗脸,但是出来的是和洪水一样涌出来的水,那就gg了,消耗能源也多,所以不同的时钟也会有频率差别,或者在配置的时候可以配置时钟分频。

拓展:为何要先配置时钟,再配置GPIO(功能模块)

所有寄存器都需要时钟才能配置,寄存器是由D触发器组成的,只有送来了时钟,触发器才能被改写值。

任何MCU的任何外设都需要有时钟,8051也是如此;STM32为了让用户更好地掌握功耗,对每个外设的时钟都设置了开关,让用户可以精确地控制,关闭不需要的设备,达到节省供电的目的。

51单片机不用配置IO时钟,只是因为默认使用同一个时钟,这样是方便,但是这样的话功耗就降低不了。例如,某个功能不需要,但是它还是一直运行。

stm32需要配置时钟,就可以把不需要那些功能的功耗去掉。当你想关闭某个IO的时候,关闭它相对应的时钟使能就是了,不过在51里面,在使用IO的时候是没有设置IO的时钟的。

在STM32中,有外部和内部时钟之分。ARM芯片都是这样,外设通常都是给了时钟后,才能设置它的寄存器(即才能使用这个外设)。STM32、LPC1XXX等等都是这样。这么做的目的是为了省电,使用了所谓时钟门控的技术。这也属于电路里同步电路的范畴:同步电路总是需要1个时钟。

3.详述STM32时钟

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。

系统时钟,是处理器运行时间基准(每一条机器指令一个时钟周期)

乍一看很吓人,但其实很好理解,我们看系统时钟SYSCLK 的左边 系统时钟有很多种选择,而左边的部分就是设置系统时钟使用那个时钟源。

系统时钟SYSCLK 的右边,则是系统时钟通过AHB预分频器,给相对应的外设设置相对应的时钟频率。

从左到右可以简单理解为:

各个时钟源—>系统时钟来源的设置—>各个外设时钟的设置

时钟源

在STM32中,可以用内部时钟,也可以用外部时钟,在要求进度高的应用场合最好用外部晶体震荡器,内部时钟存在一定的精度误差。

准确的来说有4个时钟源可以选分别是HSI、LSI、HSE、LSE(即内部高速,内部低速,外部高速,外部低速),高速时钟主要用于系统内核和总线上的外设时钟。低速时钟主要用于独立看门狗IWDG、实时时钟RTC。

HSI是高速内部时钟,RC振荡器,频率为8MHz,上电后默认的系统时钟 SYSCLK = 8MHz,Flash编程时钟。

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。

LSI是低速内部时钟,RC振荡器,频率为40kHz,可用于独立看门狗IWDG、实时时钟RTC。

LSE是低速外部时钟,接频率为32.768kHz的石英晶体。

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。通过倍频之后作为系统时钟的时钟源( 网上有很多人说是5个时钟源,这种说法有点问题,学习之后就会发现PLL并不是自己产生的时钟源,而是通过其他三个时钟源倍频得到的时钟)

举个例子:Keil编写程序是默认的时钟为72Mhz,其实是这么来的:外部晶振(HSE)提供的8MHz(与电路板上的晶振的相关)通过PLLXTPRE分频器后,进入PLLSRC选择开关,进而通过PLLMUL锁相环进行倍频(x9)后,为系统提供72Mhz的系统时钟(SYSCLK)。之后是AHB预分频器对时钟信号进行分频,然后为低速外设提供时钟。

或者内部RC振荡器(HSI) 为 8MHz /2 为4MHz,进入PLLSRC选择开关,通过PLLMUL锁相环进行倍频(x18)后为72MHz。

系统时钟

系统时钟SYSCLK可来源于三个时钟源:①、HSI振荡器时钟②、HSE振荡器时钟③、PLL时钟

最大为72Mhz

PLL 锁相环倍频(输入和输出)

PLL的输入3种选择:

①、PLLi = HSI /2①、PLLi = HSE /2③、PLLi = HSE

PLL的输出有15种选择:PLLout = PLLi Xn (n = 2…16)

USB时钟

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(唯一的),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。

把时钟信号输出到外部

STM32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。可以把时钟信号输出供外部使用。

系统时钟通过AHB分频器给外设提供时钟(右边的部分)重点!!!

从左到右可以简单理解为:

系统时钟—>AHB分频器—>各个外设分频倍频器 —> 外设时钟的设置

右边部分为:系统时钟SYSCLK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内核总线:送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。

②Tick定时器:通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟。

③I2S总线:直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。

④APB1外设: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),另一路送给通用定时器使用。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器2-7使用。

⑤APB2外设: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),另一路送给高级定时器。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器1和定时器8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。

需要注意的是,如果 APB 预分频器分频系数是 1,则定时器时钟频率 (TIMxCLK) 为 PCLKx。否则,定 时器时钟频率将为 APB 域的频率的两倍:TIMxCLK = 2xPCLKx。

APB1 和 APB2对应外设

F4系列:APB2总线:高级定时器timer1, timer8、通用定时器timer9, timer10, timer11、UTART1,USART6

APB1总线:通用定时器timer2、timer5、通用定时器timer12、timer14、基本定时器timer、timer7、UTART2~UTART5。

F4系列的系统时钟频率最高能到168M

具体可以在 stm32f40x_rcc.h 中查看

或者通过 STM32参考手册搜索“系统架构”或者“系统结构”查看外设挂在哪个时钟下

RCC相关寄存器

Reset and clock control (RCC):时钟配置,控制提供给各模块时钟信号的通断。

以F1系列为例:

RCC 寄存器结构,RCC_TypeDeff,在文件“stm32f10x.h”中定义如下

typedefstruct{   vu32 CR;           //HSI,HSE,CSS,PLL等的使能   vu32CFGR;//PLL等的时钟源选择以及分频系数设定 vu32CIR;//清除/使能时钟就绪中断 vu32APB2RSTR;//APB2线上外设复位寄存器 vu32APB1RSTR;//APB1线上外设复位寄存器 vu32AHBENR;//DMA,SDIO等时钟使能 vu32APB2ENR;//APB2线上外设时钟使能 vu32APB1ENR; //APB1线上外设时钟使能 vu32BDCR;//备份域控制寄存器 vu32 CSR;             } RCC_TypeDef;

RCC初始化

这里我们使用HSE(外部时钟),正常使用的时候也都是使用外部时钟

使用HSE时钟,程序设置时钟参数流程:

1、将RCC寄存器重新设置为默认值 RCC_DeInit;

2、打开外部高速时钟晶振HSE RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

3、等待外部高速时钟晶振工作 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();

4、设置AHB时钟 RCC_HCLKConfig;

5、设置高速AHB时钟 RCC_PCLK2Config;

6、设置低速速AHB时钟 RCC_PCLK1Config;

7、设置PLL RCC_PLLConfig;

8、打开PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);

9、等待PLL工作 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)

10、设置系统时钟 RCC_SYSCLKConfig;

11、判断是否PLL是系统时钟 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)

12、打开要使用的外设时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()

代码实现

对RCC的配置函数(使用外部8MHz晶振)  系统时钟72MHz,APH 72MHz,APB2 72MHz,APB1 32MHz,USB 48MHz TIMCLK=72Mvoid RCC_Configuration(void){    //----------使用外部RC晶振-----------    RCC_DeInit();                                 //初始化为缺省值    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);    //使能外部的高速时钟    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);    //等待外部高速时钟使能就绪    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);    //Enable Prefetch Buffer    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                                    //Flash 2 wait state    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);          //HCLK = SYSCLK    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);            //PCLK2 =  HCLK    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);            //PCLK1 = HCLK/2    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1,RCC_PLLMul_9);    //PLLCLK = 8MHZ * 9 =72MHZ    RCC_PLLCmd(ENABLE);            //Enable PLLCLK    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);    //Wait till PLLCLK is ready    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);    //Select PLL as system clock    while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08);        //Wait till PLL is used as system clock source    //---------打开相应外设时钟--------------------    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);    //使能APB2外设的GPIOA的时钟        }

时钟监视系统

STM32还提供了一个时钟监视系统(CSS),用于监视高速外部时钟(HSE)的工作状态。

倘若HSE失效,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。

审核编辑:汤梓红