基础——MCU的电源，复位和时钟系统（STM32为例）
目录
1. 电源供电
2. 上电复位和手动复位
2.1 硬件复位
2.2 软件复位
3.1 晶振
3.2 内部时钟和外部时钟的不同
3.3 HSE和LSE外部电路的硬件设计
3.4 时钟具体理解
4. 系统时钟的初始化寄存器源码分析
5. 时钟配置
1. 电源供电
看下面的框图，STM32F429的电源供电，能看到Vdd，Vdda，Vcap，Vss一堆电源标识：
这些常用标识的解释如下：
vss为接地端，其他都是为各功能分别供电的。
2. 上电复位和手动复位
当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。
如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。
2.1 硬件复位
STM32F429开发板的硬件复位原理图如下：
- STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即RESET为低电平时，CPU处于复位状态。
- R21和C37组成简单的RC复位电路。当系统上电瞬间，电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过电阻给电容充电，当电容的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
- 在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证RESET低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
- 当按下RESET轻触开关时，C37两端被短路接地，可实现手动复位CPU。
2.2 软件复位
除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm4.h文件提供，函数如下：
/**\brief System Reset\details Initiates a system reset request to reset the MCU.*/
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{__DSB(); /* Ensure all outstanding memory accesses includedbuffered write are completed before reset */SCB->AIRCR = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |(SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk ); /* Keep priority group unchanged */__DSB(); /* Ensure completion of memory access */for(;;) /* wait until reset */{__NOP();}
}软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：
3. RCC时钟控制
首先，单片机能正常工作的必要条件之一就是时钟电路，时钟是单片机的脉搏，是单片机的驱动源，单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍进行工作的。这个脉冲由单片机控制器中的时序电路发出的。所以单片机就很需要晶振。
3.1 晶振
晶振，全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来，可以生成频率和峰值稳定的正弦波。而单片机在运行的时候，需要一个脉冲信号，做为自己执行指令的触发信号，可以简单的想象为：单片机收到一个脉冲，就执行一次或多次指令。
单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12兆赫兹晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×（1/12）us，也就是1us。
3.2 内部时钟和外部时钟的不同
首先，晶振是时钟电路的振荡器，时钟信号由振荡电路产生。
- 由芯片内部RC时钟电路产生时钟信号，即内部时钟。
- 由芯片外部晶体，加振荡电路产生时钟信号，即外部时钟。
STM3F429有如下四种时钟源可供使用：
- HSI (High-speed internal oscillator) ：
HSI是内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。
- HSE (High-speed external oscillator):
HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。
- LSE (Low-speed external oscillator)
LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。
- LSI (Low-speed internal oscillator)
LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。
通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：
3.3 HSE和LSE外部电路的硬件设计
- HSE时钟
当前开发板是用的8MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：
晶振和负载电容需要尽可能近地靠近F4的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。
对于C109和C111，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C109和C111通常具有相同的值。
这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：一般板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到26MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：
而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-26MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：
- LSE时钟
当前开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：
3.4 时钟具体理解
STM32 也可以说有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。
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。
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：
4. 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_RAMMY_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 RDYif(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180MhzRCC->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PLLRCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);//配置主PLL,PLL时钟源来自HSERCC->CR|=1<<24; //打开主PLLwhile((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.
5. 时钟配置
STM32F4开发板使用的外部晶振频率是8MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到168MHz的主频。
- 第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE
配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。
#if !defined (HSE_VALUE)
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */- 第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32f429xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。
Reset_Handler PROCEXPORT Reset_Handler [WEAK]IMPORT SystemInitIMPORT __mainLDR R0, =SystemInitBLX R0LDR R0, =__mainBX R0ENDP以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：
1. /**
2. * @brief Setup the microcontroller system
3. * Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4. * configuration.
5. * @param None
6. * @retval None
7. */
8. void SystemInit(void)
9. {
10. /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11. #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12. SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
13. #endif
14. /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15. /* Set HSION bit */
16. RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.
18. /* Reset CFGR register */
19. RCC->CFGR = 0x00000000;
20.
21. /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22. RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.
24. /* Reset PLLCFGR register */
25. RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.
27. /* Reset HSEBYP bit */
28. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.
30. /* Disable all interrupts */
31. RCC->CIR = 0x00000000;
32.
33. #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34. SystemInit_ExtMemCtl();
35. #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.
37. /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38. #ifdef VECT_TAB_SRAM
39. SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40. #else
41. SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42. #endif
43. }第12行：使能FPU单元。
第16 – 31行：复位RCC相关寄存器。
第69 – 73行：设置中断向量表的位置。
- 第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到168MHz。
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