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STM32F10X的时钟树及时钟初始化

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paotangsan|  楼主 | 2019-7-5 09:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
对于初学者而言,时钟是一个很重要很深的概念,对于STM32芯片来讲,为了实现低功耗,设计了一个功能完善但是却很复杂的时钟系统,使得外围功能的时钟可配置,相对应的,单片机的时钟基本上固定的几种,简单配置后就能使用,而STM32的外围功能不仅要配置,还需要在最开始就要设置这些外设时钟,只有使能这些外设时钟后,这些外设才能够使用。

STM32的时钟树,如下图所示:


119195d1ea58f83831.png

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paotangsan|  楼主 | 2019-7-5 09:19 | 显示全部楼层
STM32有一下4个时钟源:

(1)高速外部时钟(HSE):以外部晶振作时钟源,晶振频率可取范围为4~16MHz,我们一般采用8MHz的晶振,开发板上的8MHz时钟就是指的这个。

(2)高速内部时钟(HSI): 由内部RC振荡器产生,频率为8MHz,但不稳定。

(3)低速外部时钟(LSE):以外部晶振作时钟源,主要提供给实时时钟模块,所以一般采用32.768KHz。STM32F103CBT6开发板上用的是32.768KHz规格的晶振。

 (4)低速内部时钟(LSI):由内部RC振荡器产生,也主要提供给实时时钟模块,频率大约为40KHz。

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paotangsan|  楼主 | 2019-7-5 09:19 | 显示全部楼层
接下来以最常用的高速外部时钟(HSE)为例进行分析:

     1)      从左端的OSC_OUT和OSC_IN开始,这两个引脚分别接到外部晶振的两端。
2)      8MHz的时钟遇到了第一个分频器PLLXTPRE(HSE divider for PLL entry),在这个分频器中,可以通过寄存器配置,选择它的输出。它的输出时钟可以是对输入时钟的二分频或不分频。本例子中,我们选择不分频,所以经过PLLXTPRE后,还是8MHz的时钟。
3)      8MHz的时钟遇到开关PLLSRC(PLL entry clock source),我们可以选择其输出,输出为外部高速时钟(HSE)或是内部高速时钟(HSI)。这里选择输出为HSE,接着遇到锁相环PLL,具有倍频作用,在这里我们可以输入倍频因子PLLMUL(PLL multiplication factor),要是想超频,就得在这个寄存器上做手脚。经过PLL的时钟称为PLLCLK。倍频因子我们设定为9倍频,也就是说,经过PLL之后,我们的时钟从原来8MHz的 HSE变为72MHz的PLLCLK。
4)      紧接着又遇到了一个开关SW,经过这个开关之后就是STM32的系统时钟(SYSCLK)了。通过这个开关,可以切换SYSCLK的时钟源,可以选择为HSI、PLLCLK、HSE。我们选择为PLLCLK时钟,所以SYSCLK就为72MHz了。
5)      PLLCLK在输入到SW前,还流向了USB预分频器,这个分频器输出为USB外设的时钟(USBCLK)。
6)      回到SYSCLK,SYSCLK经过AHB预分频器,分频后再输入到其它外设。如输出到称为HCLK、FCLK的时钟,还直接输出到SDIO外设的SDIOCLK时钟、存储器控制器FSMC的FSMCCLK时钟,和作为APB1、APB2的预分频器的输入端。本例子设置AHB预分频器不分频,即输出的频率为72MHz。

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paotangsan|  楼主 | 2019-7-5 09:20 | 显示全部楼层
从时钟树的分析,看到经过一系列的倍频、分频后得到了几个与我们开发密切相关的时钟。
SYSCLK:系统时钟,STM32大部分器件的时钟来源。主要由AHB预分频器分配到各个部件。
HCLK:由AHB预分频器直接输出得到,它是高速总线AHB的时钟信号,提供给存储器,DMA及cortex内核,是cortex内核运行的时钟,cpu主频就是这个信号,它的大小与STM32运算速度,数据存取速度密切相关。
FCLK:同样由AHB预分频器输出得到,是内核的“自由运行时钟”。“自由”表现在它不来自时钟 HCLK,因此在HCLK时钟停止时 FCLK 也继续运行。它的存在,可以保证在处理器休眠时,也能够采样和到中断和跟踪休眠事件 ,它与HCLK互相同步。
PCLK1:外设时钟,由APB1预分频器输出得到,最大频率为36MHz,提供给挂载在APB1总线上的外设。
PCLK2:外设时钟,由APB2预分频器输出得到,最大频率可为72MHz,提供给挂载在APB2总线上的外设。
为什么STM32的时钟系统如此复杂,有倍频、分频及一系列的外设时钟的开关。需要倍频是考虑到电磁兼容性,如外部直接提供一个72MHz的晶振,太高的振荡频率可能会给制作电路板带来一定的难度。分频是因为STM32既有高速外设又有低速外设,各种外设的工作频率不尽相同,如同pc机上的南北桥,把高速的和低速的设备分开来管理。最后,每个外设都配备了外设时钟的开关,当我们不使用某个外设时,可以把这个外设时钟关闭,从而降低STM32的整体功耗。所以,当我们使用外设时,一定要记得先开启外设的时钟。

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paotangsan|  楼主 | 2019-7-5 09:20 | 显示全部楼层
对于STM32的默认启动文件"startup_stm32f10x_hd.s",对于时钟的初始化函数,追踪到最后,会跳转到如下的程序:


static void SetSysClock(void)
{
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
  SetSysClockToHSE();
#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz
  SetSysClockTo24();
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
  SetSysClockTo36();
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
  SetSysClockTo48();
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
  SetSysClockTo56();  
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
  SetSysClockTo72();
#endif

/* If none of the define above is enabled, the HSI is used as System clock
    source (default after reset) */
}


查看宏定义,发现,会设定系统时钟为72MHz,这也不难理解,先把系统时钟倍频到最大,然后外围时钟就可以分频到需要的了,这样就能发挥CPU的最大性能。

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