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STM32时钟树分析

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tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:25 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
1 STM32总线

首先,说点不靠谱的,APB和AHB总线,我个人感觉这个类似于个人PC系统里的北桥和南桥总线。
南桥总线上挂接的都是鼠标、键盘这些慢速的设备,北桥上挂接显卡等高速设备。南桥频率低,北桥频率高。另外,南桥最后也要接到北桥上。

这些感觉都类似于APB和AHB。

  • AHB,是Advanced High performance Bus的缩写,译作高级高性能总线,这是一种“系统总线”。

AHB主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接。AHB 系统由主模块、从模块和基础结构(Infrastructure)3部分组成,整个AHB总线上的传输都由主模块发出,由从模块负责回应。

  • APB,是Advanced Peripheral Bus的缩写,这是一种外围总线。

APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接,例如UART、1284等,它的总线架构不像 AHB支持多个主模块,在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。再往下,APB2负责AD,I/O,高级TIM,串口1;APB1负责DA,USB,SPI,I2C,CAN,串口2345,普通TIM。

  • 这两者都是总线,符合AMBA规范。

ARM公司推出的AMBA片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐,已成为一种流行的工业标准片上结构。AMBA规范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系统总线和APB(Advanced Peripheral Bus)外围总线。


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沙发
tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:25 | 只看该作者
2 STM32F1时钟系统2.1 STM32F1时钟源

在STM32F1中,有五个时钟源,为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

①HSI: High Speed Internal 是高速内部时钟,RC振荡器,频率为8MHz。

②HSE: 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。

③LSI: Low Speed Internal 是低速内部时钟,RC振荡器,频率为40kHz。

④LSE: Low Speed External是低速外部时钟,接频率为32.768kHz的石英晶体。

⑤PLL: Phase Lock Loop 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。


用户可通过多个预分频器配置AHB总线、高速APB2总线和低速APB1总线的频率。

  • AHB和APB2域的最大频率是72MHZ。

  • APB1域的最大允许频率是36MHZ。

  • SDIO接口的时钟频率固定为HCLK/2。

  • 40kHz的LSI供独立看门狗IWDG使用,另外它还可以被选择为实时时钟RTC的时钟源。

  • 另外,实时时钟RTC的时钟源还可以选择LSE,或者是HSE的128分频。

  • RTC的时钟源通过RTCSEL[1:0]来选择。

  • STM32中有一个全速功能的USB模块,其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL输出端获取,可以选择为1.5分频或者1分频,也就是,当需要使用USB模块时,PLL必须使能,并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。

  • 另外,STM32还可以选择一个PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟SYSCLK 输出到MCO脚(PA8)上。


系统时钟SYSCLK,是供STM32中绝大部分部件工作的时钟源,它可选择为PLL输出、HSI或者HSE,(一般程序中采用PLL倍频到72Mhz)在选择时钟源前注意要判断目标时钟源是否已经稳定振荡。Max=72MHz,它分为2路:
(1)1路送给I2S2、I2S3使用的I2S2CLK,I2S3CLK;
(2)另外1路通过AHB分频器分频(1/2/4/8/16/64/128/256/512)分频后送给以下8大模块使用:

  • ① 送给SDIO使用的SDIOCLK时钟。
    • ② 送给FSMC使用的FSMCCLK时钟。
    • ③ 送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。
    • ④ 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟(SysTick)。
    • ⑤ 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。
    • ⑥ 送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频,其输出一路供APB1外设使用(PCLK1,最大频率36MHz),另一路送给定时器(Timer2-7)2、3、4倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器2、3、4、5、6、7使用。
    • ⑦ 送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频,其输出一路供APB2外设使用(PCLK2,最大频率72MHz),另一路送给定时器(Timer1、Timer8)1、2倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频,时钟输出供定时器1和定时器8使用。另外,APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用,分频后得到ADCCLK时钟送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。
    • ⑧ 2分频后送给SDIO AHB接口使用(HCLK/2)。


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板凳
tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:25 | 只看该作者
2.2 时钟输出的使能控制

在以上的时钟输出中有很多是带使能控制的,如AHB总线时钟、内核时钟、各种APB1外设、APB2外设等。
当需要使用某模块时,必需先使能对应的时钟。需要注意的是定时器的倍频器,当APB的分频为1时,它的倍频值为1,否则它的倍频值就为2。

  • 连接在APB1(低速外设)上的设备有:电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3、SPI2、窗口看门狗、 Timer2、Timer3、Timer4。注意USB模块虽然需要一个单独的48MHz时钟信号,但它应该不是供USB模块工作的时钟,而只是提供给串行接口引擎(SIE)使用的时钟。USB模块工作的时钟应该是由APB1提供的。
  • 连接在APB2(高速外设)上的设备有:GPIO_A-E、USART1、ADC1、ADC2、ADC3、TIM1、TIM8、SPI1、AFIO

    使用HSE时钟,程序设置时钟参数流程:
    1、将RCC寄存器重新设置为默认值 RCC_DeInit;
    2、打开外部高速时钟晶振HSE RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    3、等待外部高速时钟晶振工作 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
    4、设置AHB时钟 RCC_HCLKConfig;
    5、设置高速AHB时钟 RCC_PCLK2Config;
    6、设置低速速AHB时钟 RCC_PCLK1Config;
    7、设置PLL RCC_PLLConfig;
    8、打开PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);
    9、等待PLL工作 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)
    10、设置系统时钟 RCC_SYSCLKConfig;
    11、判断是否PLL是系统时钟 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)
    12、打开要使用的外设时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()

下面是STM32软件固件库的程序中对RCC的配置函数(使用外部8MHz晶振)

void RCC_Configuration(void){  RCC_DeInit();  RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);   //RCC_HSE_ON——HSE晶振打开(ON)  HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();  if(HSEStartUpStatus == SUCCESS)        //SUCCESS:HSE晶振稳定且就绪  {       RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);  //RCC_SYSCLK_Div1——AHB时钟 = 系统时钟    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);   //RCC_HCLK_Div1——APB2时钟 = HCLK    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);   //RCC_HCLK_Div2——APB1时钟 = HCLK / 2    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);    //FLASH_Latency_2  2延时周期    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);       // 预取指缓存使能    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);       // PLL的输入时钟 = HSE时钟频率;RCC_PLLMul_9——PLL输入时钟x 9    RCC_PLLCmd(ENABLE);    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) ;        RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);   //RCC_SYSCLKSource_PLLCLK——选择PLL作为系统时钟    while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);        //0x08:PLL作为系统时钟  }  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB |   RCC_APB2Periph_GPIOC , ENABLE);//RCC_APB2Periph_GPIOA    GPIOA时钟//RCC_APB2Periph_GPIOB    GPIOB时钟//RCC_APB2Periph_GPIOC    GPIOC时钟//RCC_APB2Periph_GPIOD    GPIOD时钟}

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tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:25 | 只看该作者
3 STM32F4时钟系统3.1 STM32F4时钟树

下图是STM32F4系列的时钟树。

STM32的时钟源主要有:内部时钟、外部时钟、锁相环倍频输出时钟。内部时钟、外部时钟又分为告诉时钟、低速时钟。锁相环倍频输出时钟又主PLL时钟、PLLI2S时钟。具体如下图所示。
1、LSI低速内部时钟:由内部RC振荡器产生,频率为32kHz。如图区域①;
2、HSI高速内部时钟:由内部RC振荡器产生,频率为16MHz。如图区域②;
3、LSE低速外部时钟:一般由外部晶振提供,频率为32.768kHz。如图区域③;
4、HSE低速外部时钟:一般由外部晶振提供,频率为4~26MHz。如图区域④;
5、主PLL时钟:由HSE或HSI提供。如图区域⑤;
6、PLLI2S时钟:由HSE或HSI提供。如图区域⑥;


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tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:26 | 只看该作者
3.2 时钟的流向

我们已经知道了各个时钟源的输入,那么有了输入的时钟源,各个时钟源又是分别输出给哪些外设工作。我们分别从时钟源输入处开始,根据走线和结点,寻找到相应的输出。对应编号如下图中所示。
1、LSI低速内部时钟:供给独立看门狗⑴、实时时钟RTC⑵
2、HSI高速内部时钟:供给系统时钟⑸、时钟输出1MCO1⑷、主PLL时钟⑹、PLLI2S时钟⑺
3、LSE低速外部时钟:供给实时时钟RTC⑵、时钟输出1MCO1⑷
4、HSE低速外部时钟:供给系统时钟⑸、实时时钟RTC⑵、主PLL时钟⑹、PLLI2S时钟⑺、时钟输出1MCO1⑷、时钟输出2MCO2⑶
5、主PLL时钟:供给系统时钟⑸、外设时钟⑻、时钟输出1MCO1⑷、时钟输出2MCO2⑶
6、PLLI2S时钟::供给I2S时钟⑼、时钟输出1MCO1⑷、时钟输出2MCO2⑶

HSI、HSE、主PLL时钟都可以供给系统时钟⑸,STM32的很多外设是挂载在AHB、APB总线桥上的,这些外设的时钟又是怎么样的,这就和系统时钟的流向有关了,系统时钟的流向分析如下:
1、供给时钟输出2MCO2⑶
2、供给以太网PTP时钟⑽
3、经AHBPRESC预分频器⑾后:HCLK到AHB总线、内核、存储器和DMA⒁,到Cortex系统定时器⒂,自由运行时钟⒃
4、经AHBPRESC预分频器⑾、APBxPRESC预分频器⑿后:供给APBx外设时钟⒄
5、经AHBPRESC预分频器⑾、APBxPRESC预分频器后⑿,再经倍频条件判断⒀处理后:供给APBx定时器时钟⒅


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tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:26 | 只看该作者
3.3 ST固件库中提供的PLL配置函数

voidRCC_PLLConfig(uint32_tRCC_PLLSource,uint32_tPLLM,uint32_tPLLN,uint32_tPLLP,uint32_tPLLQ);
RCC_PLLSource为PLL的时钟源选择, 可选择为RCC_PLLSource_HSE或者RCC_PLLSource_HSI.
这里的PLLM, PLLN, PLLP, PLLQ便指的是上述的几个分频器的分频因子.
并且这些分频因子取值是有限制如下:
2 <= PLLQ <= 15
2 <= PLLM <= 63
192 <= PLLN <= 432
PLLP 只能是2, 4, 6, 8其中之一.
其中PLLN就是PLL的倍频倍数N.
并且, PLL之后得到的频率不得超过器件的限制频率.

举个实际的例子, 外部晶振为8MHz, 我们想让CPU运行于168MHz, 该怎么配置?
因为PLLM最小只能是2, 所以选择PLLM为2.
这里8MHz的HSE被PLLM二分频后只有4MHz了.
PLLP最小也只能是2, 我们所需要的SYSCK为168MHz, 所以从VCO出来的频率为168 * 2 = 336MHz.
则倍频倍数N为336 / 4 = 84, 所以PLLN为84.
PLLQ是USB OGT FS的时钟, 固定为48MHz, 所以预分频因子为336 / 48 =7.
则PLL配置函数应该为:
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE,2,84,2,7);

当然只使用这一句就不可能让PLL工作的, 还需要配合其它配置才行.


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tpgf|  楼主 | 2021-9-9 07:26 | 只看该作者
4 用多个时钟源、分层控制时钟的好处

1、一个外设有多个时钟源:可以根据需要选择相应频率的时钟源。
2、分层、分开控制外设时钟:使得各个外设的时钟都是可控的,各个外设有对应的时钟控制开关,实际应用过程根据需要开启相应外设时钟,不需要的外设时钟不开启,可以降低功耗。


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8
qcliu| | 2021-10-5 17:29 | 只看该作者
图示非常详细

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9
tfqi| | 2021-10-5 17:35 | 只看该作者
这个是最基础的  不过 也最容易犯糊涂

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10
wiba| | 2021-10-5 17:40 | 只看该作者
可以理顺一下

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11
zljiu| | 2021-10-5 17:45 | 只看该作者
非常详细的介绍

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12
coshi| | 2021-10-5 17:50 | 只看该作者
看这个图以后很多就都明白了

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13
onlycook| | 2021-10-6 07:24 | 只看该作者
图文并茂,很好理解

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