【STM32】STM32时钟系统和SystemInit函数解读
时钟系统就是CPU的脉搏,像人的心跳一样,重要性不言而喻。由于STM32本身十分复杂,外设非常多,但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率,比如看门狗以及RTC只需要几十k的时钟即可。并且,同一个电路,时钟越快功耗越快,同时抗电磁干扰能力也就越弱,所以较为复杂的MCU都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。
STM32F1xx官方资料:
《STM32中文参考手册V10》-第六章 复位和时钟控制 RCC
STM32的时钟系统
STM32的时钟系统图
上图是STM32的时钟系统图。STM32 有5个时钟源:HSI、HSE、LSI、LSE、PLL,在图中有红色方框标记的位置。从时钟频率来分可以分成高速时钟源和低速时钟源,在这5个中HSI、HSE和PLL是高速时钟源,LSI和LSE是低速时钟源。从时钟来源来分可以分成外部时钟源和内部时钟源。外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源。其中,HSE和ISE是外部时钟源,其他的是内部时钟源。下面来看看STM32的5个时钟源:
- HSI(High Speed Internal)是高速内部时钟,RC振荡器,频率为8MHz,精度不高;
- HSE(High Speed External)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(Low Speed Internal)是低速内部时钟,RC振荡器,频率为40kHz,提供低功耗时钟。独立看门狗的时钟源只能是LSI,同时LSI还可以做PTC的时钟源;
- LSE(Low Speed External)是低速外部时钟,接频率为32.768kHz的石英晶体。这个主要是RTC的时钟源。
- 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。
下面分析一下,图中A-E标识的五个地方:
A:STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8,时钟输出引脚)上,可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟。这个时钟可以用来给外部其他系统提供时钟源;
B:这里是RTC的时钟源,可以选择LSI、LSE以及HSE的128分频;
C:此处的USB时钟源来自于PLL时钟源。STM32有一个全速功能的USB模块,其串行接口引擎需要一个48MHz的时钟源。该时钟源只能由PLL输出端获取,若PLL输出72MHz,则1.5分频;若PLL输出48MHz,则1分频。也就是说,当需要使用USB模块的时候,PLL必须使能;
D:STM32的系统时钟SYSCLK,提供STM32的绝大多数部件工作的时钟源。它的来源可以是三个时钟源:HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟和PLL时钟。系统时钟的最大频率为72MHz。
E:这里指的就是其他的所有外设了,这些外设的时钟来源都是SYSCLK。SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括:
- AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟(最大72MHz);
- 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟,也就是systick了;
- 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK;
- 送给APB1分频器。APB1分频器输出一路给APB1外设使用(PCLK1,最大频率36MHz),另一路给通用定时器使用;
- 送给APB2分频器。APB2分频器输出一路给APB2外设使用(PCLK2,最大频率72MHz),另一路给定时器使用;
APB1和APB2的区别
这里需要理解一下APB1和APB2的区别:
APB1上面连接的是低速外设,包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等;
而APB2上面连接的是高速外设,包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口(PA-PE)、第二功能I/O(AFIO)口等。
在上面的时钟输出中,有很多是带使能控制的,例如AHB总线时钟、内核时钟、各种APB1外设、APB2外设等等。当使用某模块时,记得一定要先使能其相应的时钟。
SystemInit函数
STM32时钟系统的配置除了初始化的时候在system_stm32f10x.c中的SystemInit函数中外,其他的配置主要在stm32f10x_rcc.c文件中,需要对这个文件好好研究一下。本文主要看一下初始化时的SystemInit函数:
void SystemInit (void)
{/* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(for debug purpose) *//* Set HSION bit */RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;/* Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits */
#ifndef STM32F10X_CLRCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;
#elseRCC->CFGR &= (uint32_t)0xF0FF0000;
#endif /* STM32F10X_CL */ /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;/* Reset HSEBYP bit */RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;/* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;#ifdef STM32F10X_CL/* Reset PLL2ON and PLL3ON bits */RCC->CR &= (uint32_t)0xEBFFFFFF;/* Disable all interrupts and clear pending bits */RCC->CIR = 0x00FF0000;/* Reset CFGR2 register */RCC->CFGR2 = 0x00000000;
#elif defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)/* Disable all interrupts and clear pending bits */RCC->CIR = 0x009F0000;/* Reset CFGR2 register */RCC->CFGR2 = 0x00000000;
#else/* Disable all interrupts and clear pending bits */RCC->CIR = 0x009F0000;
#endif /* STM32F10X_CL */#if defined (STM32F10X_HD) || (defined STM32F10X_XL) || (defined STM32F10X_HD_VL)#ifdef DATA_IN_ExtSRAMSystemInit_ExtMemCtl(); #endif /* DATA_IN_ExtSRAM */
#endif /* Configure the System clock frequency, HCLK, PCLK2 and PCLK1 prescalers *//* Configure the Flash Latency cycles and enable prefetch buffer */SetSysClock();#ifdef VECT_TAB_SRAMSCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
#elseSCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif
}
SystemInit函数主要就是完成系统初始化时的默认状态的设置,同时系统时钟默认是在SetSysClock()函数中来进行判断的,而判断的依据则是通过宏定义设置的。先看看SetSysClocks()函数:
static void SetSysClock(void)
{
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSESetSysClockToHSE();
#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHzSetSysClockTo24();
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHzSetSysClockTo36();
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHzSetSysClockTo48();
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHzSetSysClockTo56();
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHzSetSysClockTo72();
#endif/* If none of the define above is enabled, the HSI is used as System clocksource (default after reset) */
}
这段代码很简单,就是判断系统宏定义的时钟是多少,然后设置相应值。系统默认的宏定义是72HMz:
#if defined (STM32F10X_LD_VL) || (defined STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE HSE_VALUE */#define SYSCLK_FREQ_24MHz 24000000
#else
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE HSE_VALUE */
/* #define SYSCLK_FREQ_24MHz 24000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_36MHz 36000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_48MHz 48000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_56MHz 56000000 */
#define SYSCLK_FREQ_72MHz 72000000
#endif
接下来就选择进入SetSysClockTo72()函数,我们看一下这个函数的内容:
static void SetSysClockTo72(void)
{__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;/* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/ /* Enable HSE */ RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */do{HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;StartUpCounter++; } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET){HSEStatus = (uint32_t)0x01;}else{HSEStatus = (uint32_t)0x00;} if (HSEStatus == (uint32_t)0x01){/* Enable Prefetch Buffer */FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;/* Flash 2 wait state */FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2; /* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK2 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;/* PCLK1 = HCLK/2 */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;/* PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |RCC_CFGR_PLLMULL));RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);/* Enable PLL */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* Wait till PLL is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* Select PLL as system clock source */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL; /* Wait till PLL is used as system clock source */while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}}else{ /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock configuration. User can add here some code to deal with this error */}
}
这里主要的内容就是下面这一段:
/* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK2 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;/* PCLK1 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;/* PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |RCC_CFGR_PLLMULL));RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);
设置SYSCLK为72MHz,HCLK=SYSCLK,PCLK1=SYSCLK/2,PCLK2=SYSCLK。总而言之,即通过HSE(8MHz)倍频9倍成SYSCLK(72MHz),然后直接输出为HCLK(72MHz)、PCLK2(72HMz)、PCLK1(36HMz)。
相对应的,如果说宏定义不是SYSCLK_FREQ_72MHz ,而是其他的宏定义。那么就会进入各自的SetSysClockToxx()函数,比如说SetSysClockTo54()、SetSysClockTo36()等等。然后在相应的程序中,会对SYSCLK等进行赋值。
同时,在设置好系统时钟之后,可以通过变量SystemCoreClock来获取系统时钟值。这也是在stm32f10x.c文件中设置的:
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSEuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_HSE; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHzuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_24MHz; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHzuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_36MHz; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHzuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_48MHz; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHzuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_56MHz; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHzuint32_t SystemCoreClock = SYSCLK_FREQ_72MHz; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#else /*!< HSI Selected as System Clock source */uint32_t SystemCoreClock = HSI_VALUE; /*!< System Clock Frequency (Core Clock) */
#endif
总结与分析
这里总结一下SystemInit函数默认设置的系统时钟的大小:
时钟名称 | 时钟大小 |
SYSCLK(系统时钟) | 72MHz |
HCLK(AHB总线时钟) | 72MHz |
PCLK1(APB1总线时钟) | 36MHz |
PCLK2(APB2总线时钟) | 72MHz |
PLL时钟 | 72MHz |
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