STM32的时钟树解析

只看该作者 · 2022-5-29 14:37

对于广大初次接触STM32的读者朋友（甚至是初次接触ARM器件的读者朋友）来说，在熟悉了开发环境的使用之后，往往“栽倒”在同一个问题上。这问题有个关键字叫：时钟树。

众所周知，微控制器（处理器）的运行必须要依赖周期性的时钟脉冲来驱动——往往由一个外部晶体振荡器提供时钟输入为始，最终转换为多个外部设备的周期性运作为末，这种时钟“能量”扩散流动的路径，犹如大树的养分通过主干流向各个分支，因此常称之为“时钟树”。在一些传统的低端8位单片机诸如51，AVR，PIC等单片机，其也具备自身的一个时钟树系统，但其中的绝大部分是不受用户控制的，亦即在单片机上电后，时钟树就固定在某种不可更改的状态（假设单片机处于正常工作的状态）。比如51单片机使用典型的12MHz晶振作为时钟源，则外设如IO口、定时器、串口等设备的驱动时钟速率便已经是固定的，用户无法将此时钟速率更改，除非更换晶振。

只看该作者 · 2022-5-29 14:38

而STM32微控制器的时钟树则是可配置的，其时钟输入源与最终达到外设处的时钟速率不再有固定的关系，本文将来详细解析STM32微控制器的时钟树。图1是STM32微控制器的时钟树，表1是图中各个标号所表示的部件。

只看该作者 · 2022-5-29 14:38

标号          图1标号释义

1    内部低速振荡器（LSI，40Khz）

2    外部低速振荡器（LSE，32.768Khz）

3 外部高速振荡器（HSE，3-25MHz）

4 内部高速振荡器（HIS，8MHz）

5 PLL输入选择位

6 RTC时钟选择位

7 PLL1分频数寄存器

8 PLL1倍频寄存器

9 系统时钟选择位

10 USB分频寄存器

11 AHB分频寄存器

12 APB1分频寄存器

13 AHB总线

14 APB1外设总线

15 APB2分频寄存器

16    APB2外设总线

17 ADC预分频寄存器

18 ADC外设

19 PLL2分频数寄存器

20 PLL2倍频寄存器

21 PLL时钟源选择寄存器

22 独立看门狗设备

23    RTC设备

只看该作者 · 2022-5-29 14:39

只看该作者 · 2022-5-29 14:41

在认识这颗时钟树之前，首先要明确“主干”和最终的“分支”。假设使用外部8MHz晶振作为STM32的时钟输入源（这也是最常见的一种做法），则这个8MHz便是“主干”，而“分支”很显然是最终的外部设备比如通用输入输出设备（GPIO）。

只看该作者 · 2022-5-29 15:06

这样可以轻易找出第一条时钟的“脉络”：

3——5——7——21——8——9——11——13

对此条时钟路径做如下解析：

对于3，首先是外部的3-25MHz（前文已假设为8MHz）输入；

对于5，通过PLL选择位预先选择后续PLL分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；

对于7，设置外部晶振的分频数（假设1分频）；

对于21，选择PLL倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；

对于8，设置PLL倍频数（假设9倍频）；

对于9，选择系统时钟源（假设选择经过PLL倍频所输出的时钟）；

对于11，设置AHB总线分频数（假设1分频）；

对于13，时钟到达AHB总线；

只看该作者 · 2022-5-29 15:08

在上一章节中所介绍的GPIO外设属于APB2设备，即GPIO的时钟来源于APB2总线，同样在图1中也可以寻获GPIO外设的时钟轨迹：

3——5——7——21——8——9——11——15——16

对于3，首先是外部的3-25MHz（前文已假设为8MHz）输入；

对于5，通过PLL选择位预先选择后续PLL分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；

对于7，设置外部晶振的分频数（假设1分频）；

对于21，选择PLL倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；

对于8，设置PLL倍频数（假设9倍频）；

对于9，选择系统时钟源（假设选择经过PLL倍频所输出的时钟）；

对于11，设置AHB总线分频数（假设1分频）；

对于15，设置APB2总线分频数（假设1分频）；

对于16，时钟到达APB2总线；

只看该作者 · 2022-5-29 15:08

现在来计算一下GPIO设备的最大驱动时钟速率（各个条件已在上述要点中假设）：

1) 由3所知晶振输入为8MHz，由5——21知PLL的时钟源为经过分频后的外部晶振时钟，并且此分频数为1分频，因此首先得出PLL的时钟源为：8MHz / 1 = 8MHz。

2) 由8、9知PLL倍频数为9，且将PLL倍频后的时钟输出选择为系统时钟，则得出系统时钟为 8MHz * 9 = 72MHz。

3) 时钟到达AHB预分频器，由11知时钟经过AHB预分频器之后的速率仍为72MHz。

4) 时钟到达APB2预分频器，由15经过APB2预分频器后速率仍为72MHz。

5) 时钟到达APB2总线外设。

只看该作者 · 2022-5-29 15:10

因此STM32的APB2总线外设，所能达到的最大速率为72MHz。依据以上方法读者可以搜寻出APB1总线外设时钟、RTC外设时钟、独立看门狗等外设时钟的来龙去脉。接下来从程序的角度分析时钟树的设置，程序清单如下：
void RCC_Configuration(void)

{

ErrorStatus HSEStartUpStatus;                                                                                                    （1）

RCC_DeInit();                                                                                                                                  （2）

RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);                                                                                                 （3）

HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();                                                                   （4）

if(HSEStartUpStatus == SUCCESS)                                                                                              （5）

{

RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);                                                                            （6）

         RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);                                                                            （7）

         RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);                                                                               （8）

FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                                                                            （9）

FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);                                     （10）

  RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);                                        （11）

  RCC_PLLCmd(ENABLE);                                                                                                             （12）

  while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);                                                    （13）

  RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);                                                             （14）

  while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);                                                                            （15）

}

}

以上是ST官方所提供的STM32时钟树配置函数，读者首先要知道3点

只看该作者 · 2022-5-29 15:23

1、ST所提供的库函数在函数和变量命名上有非常良好的规范性和易读性（虽然有点冗长），即便没有注释，也可从函数名和变量名来大致判断该函数或变量所包含的意义。

只看该作者 · 2022-5-29 15:24

2、其次，读者应从上图区分出各个总线和对应的时钟：其中PLLCLK表示PLL锁相环的输出时钟，SYSCLK表示系统时钟，HCLK表示AHB总线的时钟，PCLK1表示APB1总线的时钟，PCLK2则表示APB2总线的时钟。

只看该作者 · 2022-5-29 15:24

3、9、10两句代码的作用是设置STM32内部FLASH的等待周期。做如下解释：STM32的内部用户FLASH用以存储代码指令供CPU存取以执行，STM32的CPU的最大速率已知为72MHz，但FLASH无法达到这么高的速度，因此要在CPU存取FLASH的过程中插入所谓的“等待周期”，显然CPU速度越快，所要插入的等待周期个数越多，原则是

只看该作者 · 2022-5-29 15:25

1）当CPU速率为0 ~ 24MHz时，不需要插入等待周期，即等到周期个数为0；
2）当CPU速率为24 ~ 48MHz时，插入1个等待周期；
3）当CPU速率为48MHz ~ 72MHz时，插入2个等待周期；

只看该作者 · 2022-5-29 15:25

有以上三点准备之后，开始解析这段程序：

（1）定义一个ErrorStatus类型的变量HSEStartUpStatus；
（2）将时钟树复位至默认设置；
（3）开启HSE晶振；
（4）等待HSE晶振起振稳定，并将起振结果保存至HSEStartUpStatus变量中；
（5）判断HSE晶振是否起振成功（假设成功了，进入if内部）；
（6）设置HCLK时钟为SYSCLK的1分频；
（7）设置PLCK2时钟为SYSCLK的1分频；
（8）设置PLCK1时钟为SYSCLK的2分频；
（11）选择PLL输入源为HSE时钟经过1分频，并进行9倍频；
（12）使能PLL输出；
（13）等待PLL输出稳定；
（14）选择系统时钟源为PLL输出；
（15）等待系统时钟稳定；

只看该作者 · 2022-5-29 15:26

上述代码中对时钟树的配置顺序为（对应图中标号）:
3——11——14——15——7——21——8——9
通过对比发现，程序中对时钟树的配置顺序并不是依次从图中由左到右、由上到下配置的，这是为什么呢？事实上这个问题相信大部分读者都可以自己解释：电子设计世界的思维和操作方式，其顺序往往和日常生活是不一样的，比如人们经常先给电视机连接电源，再打开电视机开关；先把大水管的总闸打开，再打开小水龙头；总而言之是一种由“主”到“次”的顺序。转移到最常见的51单片机的开发平台，开发人员往往先把定时器的分频数，重载值等参数配置好，最后才启动定时器计数；先把各个外设的中断打开，最后再打开总中断；这和人们的生活习惯其实恰好相反，是一种先“次”后“主”的顺序。

只看该作者 · 2022-5-29 15:33