STM32系统学习——RCC（使用HSE/HSI配置时钟）

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RCC ：reset clock control 复位和时钟控制器。主要讲解时钟部分，特别是要着重理解时钟树，理解了时钟树，STM32 的一切时钟的来龙去脉都会了如指掌。

一、RCC主要作用——时钟部分
设置系统时钟SYSCLK、设置AHB分频因子（决定HCLK是多少）、设置APB2分频因子（设定PCLK2等于多少）、设置APB1分频因子（决定PCLK1等于多少）；控制AHB/APB2/APB1这3条总线开启，控制每个外设时钟的开启。
对于SYSCLK、HCLK、PCLK2、PCLK1这4个时钟的配置一般是：PCLK2=HCLK=SYSCLK=PLLCLK=72MHz,PCLK1=HCLK/2=36MHz.这个配置是库函数的标准配置。

二、系统时钟

系统时钟包括了：
1.HSE高速外部时钟（常用8MHz无源晶振）；
2.PLL时钟源（来源有HSE和HSI/2，一般选HSE作为时钟来源）；
3.PLL时钟PLLCLK（通过设置PLL的倍频因子，一般8Mx9=72MHz，72MHz是官方推荐稳定运行时钟，最高128MHz）;
4.系统时钟SYSCLK（一般SYSCLK=PLLCLK=72MHz）；
5.AHB总线时钟HCLK（是系统时钟SYSCLK经过AHB分频器分频后得到的时钟，也就是APB总线时钟，一般设置1分频，HCLK=SYSSCLK=72MHz）；
6.APB2总线时钟HCLK2（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CFGR的位13-11：PPRE2[2:0]决定，一般设置为 1 分频，即 PCLK2 = HCLK =72M）;
7.APB1总线时钟HCLK1（APB1 总线时钟 PCLK1 由 HCLK 经过低速 APB 预分频器得到，HCLK1 属于低速的总线时钟，最高为 36M，这里只需粗线条的设置好 APB1 的时钟即可。我们这里设置为 2分频，即 PCLK1 = HCLK/2 = 36M）设置系统时钟函数在库函数system_stm32f10x.c

                                    代码清单：设置系统时钟库函数

1 static void SetSysClockTo72(void)
2 {
3 __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
4
5 // ① 使能 HSE，并等待 HSE 稳定
6 RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
7
8 // 等待 HSE 启动稳定，并做超时处理
9 do {
10 HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
11 StartUpCounter++;
12 } while ((HSEStatus == 0) &&(StartUpCounter !=HSE_STARTUP_TIMEOUT));
13
14 if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET) {
15 HSEStatus = (uint32_t)0x01;
16 } else {
17 HSEStatus = (uint32_t)0x00;
18 }
19 // HSE 启动成功，则继续往下处理
20 if (HSEStatus == (uint32_t)0x01) {
21
22 //-----------------------------------------------------------
23 // 使能 FLASH 预存取缓冲区 */
24 FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
25
26 // SYSCLK 周期与闪存访问时间的比例设置，这里统一设置成 2
27 // 设置成 2 的时候，SYSCLK 低于 48M 也可以工作，如果设置成 0 或者 1 的时候，
28 // 如果配置的 SYSCLK 超出了范围的话，则会进入硬件错误，程序就死了
29 // 0：0 < SYSCLK <= 24M
30 // 1：24< SYSCLK <= 48M
31 // 2：48< SYSCLK <= 72M */
32 FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
33 FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;
34 //------------------------------------------------------------
35
36 // ② 设置 AHB、APB2、APB1 预分频因子
37 // HCLK = SYSCLK
38 RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
39 //PCLK2 = HCLK
40 RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
41 //PCLK1 = HCLK/2
42 RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;
43
44 //③ 设置 PLL 时钟来源，设置 PLL 倍频因子，PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz
45 RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)
46 ~(RCC_CFGR_PLLSRC
47 | RCC_CFGR_PLLXTPRE
48 | RCC_CFGR_PLLMULL));
49 RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE
50 | RCC_CFGR_PLLMULL9);
51
52 // ④ 使能 PLL
53 RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
54
55 // ⑤ 等待 PLL 稳定
56 while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) {
57 }
58
59 // ⑥ 选择 PLL 作为系统时钟来源
60 RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
61 RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;
62
63 // ⑦ 读取时钟切换状态位，确保 PLLCLK 被选为系统时钟
64 while ((RCC->CFGR&(uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){
65 }
66 } else {// 如果 HSE 启动失败，用户可以在这里添加错误代码出来
67 }
68 }

三、其他时钟
1. USB时钟
USB 时钟是由 PLLCLK 经过 USB 预分频器得到，分频因子可以是：[1,1.5]，具体的由时钟配置寄存器 CFGR的位 22：USBPRE配置。USB的时钟最高是 48M，根据分频因子反推过来算，PLLCLK 只能是 48M 或者是 72M。一般我们设置 PLLCLK=72M ，USBCLK=48M。USB 对时钟要求比较高，所以 PLLCLK 只能是由 HSE 倍频得到，不能使用 HSI倍频。
2. Cortex系统时钟
Cortex 系统时钟由 HCLK 8 分频得到，等于 9M，Cortex 系统时钟用来驱动内核的系统定时器 SysTick，SysTick 一般用于操作系统的时钟节拍，也可以用做普通的定时。
3. ADC时钟
ADC时钟由PCLK2经过ADC预分频器得到，分频因子可以是[2,4,6,8]，具体的由时钟配置寄存器 CFGR的位 15-14：ADCPRE[1:0]决定。很奇怪的是怎么没有 1分频。ADC时钟最高只能是 14M，如果采样周期设置成最短的 1.5 个周期的话，ADC 的转换时间可以达到最短的 1us。如果真要达到最短的转换时间 1us 的话，那 ADC 的时钟就得是 14M，反推PCLK2 的时钟只能是：28M、56M、84M、112M，鉴于 PCLK2 最高是 72M，所以只能取28M和 56M。
4. RTC时钟、独立看门狗时钟
RTC 时钟可由 HSE/128 分频得到，也可由低速外部时钟信号 LSE 提供，频率为32.768KHZ，也可由低速内部时钟信号 HSI 提供，具体选用哪个时钟由备份域控制寄存器BDCR的位9-8：RTCSEL[1:0]配置。独立看门狗的时钟由LSI提供，且只能是由LSI提供，LSI是低速的内部时钟信号，频率为 30~60KHZ直接不等，一般取 40KHZ。
5. MCO时钟输出
MCO 是 microcontroller clock output 的缩写，是微控制器时钟输出引脚，在 STM32 F1系列中由 PA8 复用所得，主要作用是可以对外提供时钟，相当于一个有源晶振。MCO 的时钟来源可以是：PLLCLK/2、HSI、HSE、SYSCLK，具体选哪个由时钟配置寄存器CFGR的位 26-24：MCO[2:0]决定。除了对外提供时钟这个作用之外，我们还可以通过示波器监控 MCO引脚的时钟输出来验证我们的系统时钟配置是否正确。

四、如何配置系统时钟
1、使用HSE
将HSE经过PLL倍频之后作为系统时钟，通常的配置是：HSE=8MHz，PLL的倍频因子为9，系统时钟SYSCLK=72MHz。在程序来到main函数之前，启动文件statup_stm32f10x_hd.s已经调用SystemInit()函数，把系统时钟初始化为72MHz，SystemInit()函数在库文件system_stm32f10x.c中定义。
2.使用HSI
如果PLL的时钟来源是HSE，那么当HSE故障时，不仅HSE不能使用，连PLL也会关闭，此时系统会自动切换HSI为系统时钟，此时SYSCLK=HSI=8MHz，如果没有开启CSS和CSS中断的话，整个系统只能在低速率运行，跟系统瘫痪没什么两样。如果开启了CSS，当HSE故障，可以在CSS中断中采取补救措施，使用HSI，并把系统时钟设置为更高的频率，最高是64MHz，一般足够使用如ADC/SPI等，但是思考原来SYSCLK=72MHz，现在外设时钟肯定都变了，外设工作会被打乱。我们是不是在设置 HSI 时钟的时候，也重新调整外设总线的分频因
子，即 AHB，APB2 和 APB1 的分频因子，使外设的时钟达到跟 HSE 没有故障之前一样。但是这个也不是最保障的办法，毕竟不能一直使用 HSI，所以当 HSE 故障时还是要采取报警措施。
还有一种情况是，有些用户不想用 HSE，想用 HSI，但是又不知道怎么用 HSI 来设置系统时钟，因为调用库函数都是使用 HSE，下面我们给出个使用 HSI 配置系统时钟例子。

                                代码清单：HSE作为系统时钟来源

1 void HSE_SetSysClock(uint32_t pllmul)
2 {
3 __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStartUpStatus = 0;
4
5 // 把 RCC 外设初始化成复位状态，这句是必须的
6 RCC_DeInit();
7
8 //使能 HSE，开启外部晶振， STM32F103 系列开发板用的是 8M
9 RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
10
11 // 等待 HSE 启动稳定
12 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
13
14 // 只有 HSE 稳定之后则继续往下执行
15 if (HSEStartUpStatus == SUCCESS) {
16 //-----------------------------------------------------------------//
17
18 // 使能 FLASH 预存取缓冲区
19 FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);
20
21 // SYSCLK 周期与闪存访问时间的比例设置，这里统一设置成 2
22 // 设置成 2 的时候，SYSCLK 低于 48M 也可以工作，如果设置成 0 或者 1 的时候，
23 // 如果配置的 SYSCLK 超出了范围的话，则会进入硬件错误，程序就死了
24 // 0：0 < SYSCLK <= 24M
25 // 1：24< SYSCLK <= 48M
26 // 2：48< SYSCLK <= 72M
27 FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
28 //-----------------------------------------------------------------//
29
30 // AHB 预分频因子设置为 1 分频，HCLK = SYSCLK
31 RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
32
33 // APB2 预分频因子设置为 1 分频，PCLK2 = HCLK
34 RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
35
36 // APB1 预分频因子设置为 1 分频，PCLK1 = HCLK/2
37 RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
38
39 //-----------------设置各种频率主要就是在这里设置-------------------//
40 // 设置 PLL 时钟来源为 HSE，设置 PLL 倍频因子
41 // PLLCLK = 8MHz * pllmul
42 RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, pllmul);
43 //-------------------------------------------------------------//
44
45 // 开启 PLL
46 RCC_PLLCmd(ENABLE);
47
48 // 等待 PLL 稳定
49 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) {
50 }
51
52 // 当 PLL 稳定之后，把 PLL 时钟切换为系统时钟 SYSCLK
53 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
54
55 // 读取时钟切换状态位，确保 PLLCLK 被选为系统时钟
56 while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) {
57 }
58 } else {
59 // 如果 HSE 开启失败，那么程序就会来到这里，用户可在这里添加出错的代码处理
60 // 当 HSE 开启失败或者故障的时候，单片机会自动把 HSI 设置为系统时钟，
61 // HSI 是内部的高速时钟，8MHZ
62 while (1) {
63 }
64 }
65 }

这个函数采用库函数编写，有个形参pllmul，用来设置PLL的倍频因子，调用的时候形参可以是：RCC_PLLMul_x , x:[2,3,…16]，这些宏来源于库函数的定义，宏展开是一些 32 位的十六进制数，具体功能是配置了时钟配置寄存器 CFGR 的位 21-18PLLMUL[3:0]，预先定义好倍频因子，方便调用。
函数调用举例：HSE_SetSysClock(RCC_PLLMul_9); 则设置系统时钟为：8MHZ * 9 =72MHZ。 HSE_SetSysClock(RCC_PLLMul_16); 则设置系统时钟为：8MHZ * 16 = 128MHZ超频慎用。

                                    代码清单：HSI作为系统时钟来源

1 void HSI_SetSysClock(uint32_t pllmul)
2 {
3 __IO uint32_t HSIStartUpStatus = 0;
4
5 // 把 RCC 外设初始化成复位状态，这句是必须的
6 RCC_DeInit();
7
8 //使能 HSI
9 RCC_HSICmd(ENABLE);
10
11 // 等待 HSI 就绪
12 HSIStartUpStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSIRDY;
13
14 // 只有 HSI 就绪之后则继续往下执行
15 if (HSIStartUpStatus == RCC_CR_HSIRDY) {
16 //-------------------------------------------------------------//
17
18 // 使能 FLASH 预存取缓冲区
19 FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);
20
21 // SYSCLK 周期与闪存访问时间的比例设置，这里统一设置成 2
22 // 设置成 2 的时候，SYSCLK 低于 48M 也可以工作，如果设置成 0 或者 1 的时候，
23 // 如果配置的 SYSCLK 超出了范围的话，则会进入硬件错误，程序就死了
24 // 0：0 < SYSCLK <= 24M
25 // 1：24< SYSCLK <= 48M
26 // 2：48< SYSCLK <= 72M
27 FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
28 //------------------------------------------------------------//
29
30 // AHB 预分频因子设置为 1 分频，HCLK = SYSCLK
31 RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
32
33 // APB2 预分频因子设置为 1 分频，PCLK2 = HCLK
34 RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
35
36 // APB1 预分频因子设置为 1 分频，PCLK1 = HCLK/2
37 RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
38
39 //-----------设置各种频率主要就是在这里设置-------------------//
40 // 设置 PLL 时钟来源为 HSE，设置 PLL 倍频因子
41 // PLLCLK = 4MHz * pllmul
42 RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, pllmul);
43 //-- -----------------------------------------------------//
44
45 // 开启 PLL
46 RCC_PLLCmd(ENABLE);
47
48 // 等待 PLL 稳定
49 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) {
50 }
51
52 // 当 PLL 稳定之后，把 PLL 时钟切换为系统时钟 SYSCLK
53 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
54
55 // 读取时钟切换状态位，确保 PLLCLK 被选为系统时钟
56 while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) {
57 }
58 } else {
59 // 如果 HSI 开启失败，那么程序就会来到这里，用户可在这里添加出错的代码处理
60 // 当 HSE 开启失败或者故障的时候，单片机会自动把 HSI 设置为系统时钟，
61 // HSI 是内部的高速时钟，8MHZ
62 while (1) {
63 }
64 }
65 }

HSI 设置系统时钟函数跟 HSE 设置系统时钟函数在原理上是一样的，有一个区别的地方就是，HSI 必须 2 分频之后才能作为 PLL 的时钟来源，所以使用 HSI 时，最大的系统时钟 SYSCLK只能是 HSI/2*16=4*16=64MHZ。
函数调用举例：HSI_SetSysClock(RCC_PLLMul_9); 则设置系统时钟为：4MHZ * 9 =36MHZ。

3、MCO输出
在STM32F103中，PA8可以复用为MCO的引脚，对外提供时钟输出，也可以用示波器监控该引脚输出判断系统时钟是否设置正确。

                                        代码清单：MCO初始化

1 /*
2 * 初始化 MCO 引脚 PA8
3 * 在 F103 系列中 MCO 引脚只有一个，即 PA8，在 F4 系列中，MCO 引脚有两个
4 */
5 void MCO_GPIO_Config(void)
6 {
7 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
8 // 开启 GPIOA 的时钟
9 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
10
11 // 选择 GPIO8 引脚
12 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
13
14 //设置为复用功能推挽输出
15 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
16
17 //设置 IO 的翻转速率为 50M
18 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
19
20 // 初始化 GPIOA8
21 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
22 }

                                        代码清单：MCO输出时钟选择

1 // 设置 MCO 引脚输出时钟，用示波器即可在 PA8 测量到输出的时钟信号，
2 // 我们可以把 PLLCLK/2 作为 MCO 引脚的时钟来检测系统时钟是否配置准确
3 // MCO 引脚输出可以是 HSE,HSI,PLLCLK/2,SYSCLK
4 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_HSE);
5 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_HSI);
6 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_PLLCLK_Div2);
7 RCC_MCOConfig(RCC_MCO_SYSCLK);

初始化MCO引脚后，可以直接调用库函数RCC_MCOConfig()来选择MCO时钟来源。

                                            代码清单：main

1 int main(void)
2 {
3 // 程序来到 main 函数之前，启动文件：statup_stm32f10x_hd.s 已经调用
4 // SystemInit()函数把系统时钟初始化成 72MHZ
5 // SystemInit()在 system_stm32f10x.c 中定义
6 // 如果用户想修改系统时钟，可自行编写程序修改
7
8 // 重新设置系统时钟，这时候可以选择使用 HSE 还是 HSI
9
10 // 使用 HSE 时，SYSCLK = 8M * RCC_PLLMul_x, x:[2,3,...16],最高是 128M
11 HSE_SetSysClock(RCC_PLLMul_9);
12
13 // 使用 HSI 时，SYSCLK = 4M * RCC_PLLMul_x, x:[2,3,...16],最高是 64MH
14 //HSI_SetSysClock(RCC_PLLMul_16);
15
16 // MCO 引脚初始化
17 MCO_GPIO_Config();
18
19 // 设置 MCO 引脚输出时钟，用示波器即可在 PA8 测量到输出的时钟信号，
20 // 我们可以把 PLLCLK/2 作为 MCO 引脚的时钟来检测系统时钟是否配置准确
21 // MCO 引脚输出可以是 HSE,HSI,PLLCLK/2,SYSCLK
22 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_HSE);
23 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_HSI);
24 //RCC_MCOConfig(RCC_MCO_PLLCLK_Div2);
25 RCC_MCOConfig(RCC_MCO_SYSCLK);
26
27 // LED 端口初始化
28 LED_GPIO_Config();
29 while (1) {
30 LED1( ON ); // 亮
31 Delay(0x0FFFFF);
32 LED1( OFF ); // 灭
33 Delay(0x0FFFFF);
34 }
35 }

在main中，可以调用HSE_SetSysClock()或者HSI_SetSysClock()这两个函数把系统时钟设置成为各种常用的时钟，然后通过MCO引脚监控，或者通过LED闪烁的快慢体验不同的系统时钟对同一软件延时函数的影响。

本文引用《STM32库开发实战指南》——机械工业出版社

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