史上最详细的gd32时钟频率设置

1万 · 2021-6-3 16:33

在调试GD32芯片时遇到了时钟配置错误的问题，仔细研究文档和网上资料，认真调试之后做了以下总结，希望能帮到同样有类似困惑的你。

**

1.认识时钟
HXTAL：高速外部时钟；
LXTAL：低速外部时钟；
IRC8M：高速内部时钟；
IRC40K：低速内部时钟；

其中：
HXTAL高速外部时钟为板子焊接的外部晶振，精度高，但同时功耗相较内部时钟也较高；
IRC8M内部高速时钟为芯片内部自带的时钟，精度较低，可以应用在对时钟要求不高的场景中；
IRC40K低速内部时钟用于独立看门狗的计数。

了解时钟分类之后，就需要确认板子所用晶振为内部晶振还是外部晶振。

**

1万 · 2021-6-3 16:34

2.了解芯片系统架构
**

（1）以GD32F103RC为例，Cortex-M3架构，最高时钟频率为108MHz，其中:
AHB总线为系统时钟的1分频，即最高频率为108MHz;
APB1总线为系统时钟的2分频，即最高频率为54MHz;
APB2总线为系统时钟的1分频，即最高频率为108MHz;
上述分频并非作者杜撰，而是在上面的系统架构图上可以找到，也可以在固件库的system_gd32f10x.c中找到，如下代码段所示:

/* HXTAL is stable */
/* AHB = SYSCLK */
RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
/* APB2 = AHB/1 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;
/* APB1 = AHB/2 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;

（2）分析系统架构图不仅仅能找到系统时钟分频的情况，更重要的是可以找到所有外设所挂载的总线（AHB、APB1、APB2）情况，由此可进一步确认外设的时钟。以TIMER2为例，其挂载在APB1总线；

1万 · 2021-6-3 16:34

3.分析时钟树
分析完系统架构后，要确认具体的外设时钟就需要去分析时钟树。

假设我们的目的是找到定时器2（TIMER2）的时钟频率。
开始分析时钟树，要从左往右分析。左侧四个框为四种时钟源，选择某一时钟源。
沿线路往右分析，经过各种倍频之后得到CK_SYS即系统时钟。继续往右分析，找到标注有“TIMER1、2、3…’”之类的框，可以看出其时钟来源于CK_APB1（最大54MHz），注意在这个框中可以看到如下内容：TIMER1,2,3,4,5,6, 11,12,13 i f(APB1
prescale =1)x1
else x 2；

这段内容的意思是：
如果APB1的分频系数为1，那么TIMER2的时钟频率=APB1时钟频率 x 1；
如果APB1的分频系数为2，那么TIMER2的时钟频率=APB1时钟频率 x 2；
由此可以算出，在GD32F103RC芯片中如果配置系统时钟CK_SYS=108MHz，则CK_APB1=54MHz，APB1
prescale =2，因此CK_TIMER2 = CK_APB1 *2=CK_SYS=108MHz；
同理，如果配置CK_SYS=72MHz，则CK_TIMER2=72MHz；

1万 · 2021-6-3 16:35

4.修改代码
此处以使用外部12M晶振为例。
（1）设置外部晶振
打开gd32f10x.h文件，找到如下代码段：

/* define value of high speed crystal oscillator (HXTAL) in Hz */
#if !defined HXTAL_VALUE
#ifdef GD32F10X_CL
#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)25000000) /*!< value of the external oscillator in Hz */
#else
#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)12000000) /* !< from 4M to 16M *!< value of the external oscillator in Hz*/
#endif /* HXTAL_VALUE */
#endif /* high speed crystal oscillator value */

HXTAL_VALUE即板子所焊接的外部晶振的宏定义，我所用的外部晶振为12MHz，所以此处为：#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)12000000)。如果你的外部晶振是8MHz，那么这里就应改为：#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)8000000)。

1万 · 2021-6-3 16:35

（2）选定外部晶振作为系统主时钟
打开system_gd32f10x.c文件，找到如下代码段：

#include "gd32f10x.h"

/* system frequency define */
#define __IRC8M          (IRC8M_VALUE)          /* internal 8 MHz RC oscillator frequency */
#define __HXTAL          (HXTAL_VALUE)          /* high speed crystal oscillator frequency */
#define __SYS_OSC_CLK    (__HXTAL)             /* main oscillator frequency */

__SYS_OSC_CLK即系统主时钟的宏定义，因为我选用外部时钟，所以此处为：#define __SYS_OSC_CLK (__HXTAL)。

1万 · 2021-6-3 16:36

（3）配置系统时钟大小
在system_gd32f10x.c文件中找到如下代码段：

/* select a system clock by uncommenting the following line */
/* use IRC8M */
//#define __SYSTEM_CLOCK_48M_PLL_IRC8M          (uint32_t)(48000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_72M_PLL_IRC8M          (uint32_t)(72000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_IRC8M          (uint32_t)(108000000)

/* use HXTAL (XD series CK_HXTAL = 8M, CL series CK_HXTAL = 25M) */
//#define __SYSTEM_CLOCK_HXTAL                   (uint32_t)(__HXTAL)
//#define __SYSTEM_CLOCK_24M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(24000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_36M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(36000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_48M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(48000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_56M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(56000000)
#define __SYSTEM_CLOCK_72M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(72000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_96M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(96000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL          (uint32_t)(108000000)

在代码中高亮显示的项即为我选择配置的72MHz系统时钟，时钟来源为外部高速时钟倍频。

1万 · 2021-6-3 16:36

（4）修改倍频系数
上述操作只是选择了72MHz作为时钟频率，但距离真正产生72MHz时钟还需要先对时钟源（高速外部时钟）进行倍频等处理。
在system_gd32f10x.c文件中找到如下代码段：

/*!
\brief    configure the system clock to 72M by PLL which selects HXTAL(MD/HD/XD:8M; CL:25M) as its clock source
\param[in]  none
\param[out] none
\retval    none
*/
static void system_clock_72m_hxtal(void)
{
uint32_t timeout = 0U;
uint32_t stab_flag = 0U;

/* enable HXTAL */
RCU_CTL |= RCU_CTL_HXTALEN;

/* wait until HXTAL is stable or the startup time is longer than HXTAL_STARTUP_TIMEOUT */
do{
      timeout++;
      stab_flag = (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB);
}while((0U == stab_flag) && (HXTAL_STARTUP_TIMEOUT != timeout));

/* if fail */
if(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB)){
      while(1){
      }
}

/* HXTAL is stable */
/* AHB = SYSCLK */
RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
/* APB2 = AHB/1 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;
/* APB1 = AHB/2 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;

#if (defined(GD32F10X_MD) || defined(GD32F10X_HD) || defined(GD32F10X_XD))
/* select HXTAL/2 as clock source */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0);
RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_CFG0_PREDV0);

/* CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 18 = 72 MHz */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4);
RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL12;//RCU_PLL_MUL18

#elif defined(GD32F10X_CL)
/* CK_PLL = (CK_PREDIV0) * 18 = 72 MHz */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4);
RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_PLL_MUL18);

/* CK_PREDIV0 = (CK_HXTAL)/5 *8 /10 = 4 MHz */
RCU_CFG1 &= ~(RCU_CFG1_PREDV0SEL | RCU_CFG1_PLL1MF | RCU_CFG1_PREDV1 | RCU_CFG1_PREDV0);
RCU_CFG1 |= (RCU_PREDV0SRC_CKPLL1 | RCU_PLL1_MUL8 | RCU_PREDV1_DIV5 | RCU_PREDV0_DIV10);

/* enable PLL1 */
RCU_CTL |= RCU_CTL_PLL1EN;
/* wait till PLL1 is ready */
while((RCU_CTL & RCU_CTL_PLL1STB) == 0){
}
#endif /* GD32F10X_MD and GD32F10X_HD and GD32F10X_XD */

/* enable PLL */
RCU_CTL |= RCU_CTL_PLLEN;

/* wait until PLL is stable */
while(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_PLLSTB)){
}

/* select PLL as system clock */
RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
RCU_CFG0 |= RCU_CKSYSSRC_PLL;

/* wait until PLL is selected as system clock */
while(0U == (RCU_CFG0 & RCU_SCSS_PLL)){
}
}

注意该代码段中的这一段代码：

#if (defined(GD32F10X_MD) || defined(GD32F10X_HD) || defined(GD32F10X_XD))
/* select HXTAL/2 as clock source */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0);
RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_CFG0_PREDV0);

/* CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 18 = 72 MHz */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4);
RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL12;//RCU_PLL_MUL18

最后一行是设置时钟源的倍频系数。
库文件默认的CK_HXTAL（高速外部时钟）为8MHz，根据计算公式：CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 18 = 72 MHz，得出的倍频系数为18，即RCU_PLL_MUL18。
而实际上我们用的CK_HXTAL（高速外部时钟）为12MHz，根据计算公式：CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 12 = 72 MHz，得出的倍频系数为12，即RCU_PLL_MUL12。因此最后一行应该为：RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL12，即对时钟源倍频12倍。
至此我们真正得到的系统时钟才为72 MHz。

1万 · 2021-6-3 16:37

5.检验配置结果
配置TIMER2驱动并查询系统时钟频率、APB1总线时钟频率、系统时钟来源。

/**
* @brief  TIMER2配置(timebase)
* 时钟频率 = 72000000 / 36000 = 2000Hz
* 时钟周期 = 1 / 2000Hz = 0.5ms
* 更新周期 = 0.5ms * 2000 = 1s
* @param  None
* @retval 返回值
*/
static void timer2_config(uint16_t Prescaler, uint32_t Period)
{
timer_parameter_struct timer_initpara;
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

timer_deinit(TIMER2);
/* initialize TIMER init parameter struct */
timer_struct_para_init(&timer_initpara);
/* TIMER2 configuration */
timer_initpara.prescaler       = Prescaler - 1;
timer_initpara.alignedmode    = TIMER_COUNTER_EDGE;
timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
timer_initpara.period          = Period;
timer_initpara.clockdivision    = TIMER_CKDIV_DIV1;
timer_init(TIMER2, &timer_initpara);

timer_interrupt_enable(TIMER2, TIMER_INT_UP);
timer_enable(TIMER2);

nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);
nvic_irq_enable(TIMER2_IRQn, IRQ_PRIO_TIMEBASE);

sys_clk_freq = rcu_clock_freq_get(CK_SYS);
apb1_clk_freq = rcu_clock_freq_get(CK_APB1);
sys_clk_source = rcu_system_clock_source_get();
if(sys_clk_source == RCU_SCSS_IRC8M)
{
      source_type = 1;//系统时钟为高速内部时钟
}
else if(sys_clk_source == RCU_SCSS_HXTAL)
{
      source_type = 2;//系统时钟为高速外部时钟
}
else
{
      source_type = 3;//系统时钟为高速外部时钟倍频
}
}

执行程序后得到结果如下：

sys_clk_freq系统时钟频率为72MHz；
apb1_clk_freq总线APB1时钟频率为36MHz；
source_type系统时钟源为0x03即RCU_SCSS_PLL；
以上与我们期望设置的情况一致，timer2_run_time即定时器TIMER2的运行时间按配置以1s为周期增加。