STM32L4系列一之时钟系统简介

发表于 2022-11-18 09:08

主要内容
1）STM32L4 时钟树概述；
2）STM32L4 时钟初始化配置；
3）STM32L4 时钟使能和配置。

一、STM32L4 时钟树概述
时钟系统是 CPU 的脉搏。
不同于51单片机一个系统时钟解决一切问题，STM32 有多个时钟源。这是因为STM32本身的外设非常多，但并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率。比如看门狗以及 RTC 只需几十 k 的时钟即可。
同一电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱。
所以对于较为复杂的 MCU 一般采取多时钟源方法解决这些问题。

STM32L4 的时钟系统图如下：

发表于 2022-11-18 09:09

在 STM32L475 中，有 6 个重要的时钟源，为 HSI、HSE、LSI、LSE、MSI、PLL。
其中PLL 实际为三个时钟源，分别为主 PLL 和、PLLISAI1 和 PLLSAI2。
按照时钟频率，可分为高速时钟源和低速时钟源，其中 HSI，HSE，MSI 及 PLL 是高速时钟，LSI 和 LSE 是低速时钟。
按照来源，可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，HSE 和 LSE 是外部时钟源，其他是内部时钟源。
按上图中红圈标示的顺序分别介绍这6个时钟源：
① LSI 是低速内部时钟，RC 振荡器，频率为 32kHz 左右。供独立看门狗、RTC 和 LCD使用。
② LSE 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。
③ HSE 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-48MHz。本开发板接的是 8MHz 的晶振。HSE 也可以直接做为系统时钟或者 PLL 输入。
④ HSI 是高速内部时钟，RC 振荡器，频率为 16MHz。可以直接作为系统时钟或者用作PLL 输入。
⑤ MSI 时钟信号由内部 RC 振荡器产生。其频率范围可通过时钟控制寄存器(RCC_CR)中的 MSIRANGE[3:0]位进行调整。
⑥ PLL 为锁相环倍频输出。STM32L4 有三个 PLL：
1) 主 PLL(PLL)可由 HSE、HSI 或者 MSI 提供时钟信号，并具有三个不同的输出时钟：
第一个输出 PLLR，用于生成高速的系统时钟（SYSTEM，最高 80MHz）；
第二个输出 PLLQ，可为 USB、RNG 和 SDMMC 提供时钟源；
第三个输出 PLLP，可用于 SAI1 和 SAI2 时钟。
2) PLLSAI1 用于生成精确时钟，同样具有三个不同的输出时钟：
第一个输出 PLLSAI1P，可用于 SAI1 和 SAI2 时钟；
第二个输出 PLLSAI1Q，可为 USB、RNG 和 SDMMC 提供时钟源；
第三个输出 PLLSAI1R，可为 ADC 提供时钟。
3) PLLSAI2 用于生成精确时钟，具有两个不同的输出时钟：
第一个输出 PLLSAI2P，可用于 SAI1 和 SAI2 时钟；
第二个输出 PLLSAI2R，可为 ADC 提供时钟。

这里重点分析 PLL 时钟第一个高速时钟输出 PLLR 的计算方法。先把图局部放大，如下图所示：

上图中，主 PLL 的时钟源要先经过一个分频系数为 M 的分频器，然后经过倍频系数为 N 的倍频器，出来之后还需要经过分频系数为 R(输出 PLLR 时钟)、或者 P（输出 PLLP时钟）、或者 Q（输出 PLLQ 时钟），最后才生成最终的主 PLL 时钟。

举个栗子：
外部的晶振选择为 8MHz，同时设置分频器 M=1，倍频器倍频系数N=20，分频器分频系数 R=2，那么主 PLL 生成的PLLR 为：
PLL=8MHz*N/(M*R)=8MHz*20/(1*2)=80MHz

如果选择HSE为PLL时钟源，同时SYSCLK时钟源为PLL，那么SYSCLK时钟为80MHz。

下面，介绍这 6 个时钟源是怎么给各个外设以及系统提供时钟的
观察之前给出的时钟系统图中标出的9个字母（A~I）：
A. 这是看门狗时钟。从图中可以看出看门狗时钟源只能是低速的 LSI 时钟；
B. 这是 RTC 与 LCD 时钟源，可以选择 LSI、LSE 以及 HSE 分频后的时钟，HSE 分频系数可设为 2~31；
C. 这是 STM32L475 输出时钟 MCO。MCO 是向芯片 PA8 引脚输出时钟。它有七个时钟来源分别为：LSE、LSI、HSE、SYSCLK、MSI、HSI 和 PLL 时钟；
D. 这是系统时钟。SYSCLK 系统时钟来源有四个方面：HSI，HSE、MSI 和 PLL；
E. 这是 PWR 时钟、AHB 时钟、APB1 时钟和 APB2 时钟。这些时钟都是来源于SYSCLK系统时钟。其中AHB、APB1和APB2时钟都是经过SYSCLK时钟分频得来，且这三个时钟最大频率为 80MHz；
F. 这是 48MHz 时钟，主要用于 USB、RNG、SDMMC 时钟。这里的时钟源来自三个方面：MSI、PLLQ 和 PLLSAI1Q；
G. 这是 ADC 的时钟，这里的时钟源来自三个方面：SYSCLK、PLLSAI1R 和 PLLSAI2R；
H. 这里是 SAI1 的时钟，这里的时钟源来自四个方面：PLLP、PLLSAI1P、PLLSAI2P 和SAI1_EXTCLK；
I. 这里是 SAI2 的时钟，这里的时钟源来自四个方面：PLLP、PLLSAI2P、PLLSAI2P 和SAI2_EXTCLK。

发表于 2022-11-18 09:10

备注
1）Cortex系统定时器Systick的时钟源可以是AHB时钟HCLK或HCLK的 8 分频。具体配置参考 Systick 定时器配置。
2）在以上的时钟输出中，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。当需要使用某模块时，记得一定要先使能对应的时钟。

二、STM32L4 时钟系统初始化配置
在系统启动之后，程序会先执行 HAL 库定义的 SystemInit 函数（该函数位于system_stm32l4xx.c源文件里），进行一些初始化配置：

/*********************************************************************
函数名称：void SystemInit(void)
函数功能：1) FPU 设置
2) 复位 RCC 时钟配置为默认复位值（默认开启 MSI）
3) 中断向量表地址配置
入口参数：无
返回参数：无
**********************************************************************/
void SystemInit(void)
{
#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); // 如果需要 FPU 的话就使能 FPU，设置 CP10 和 CP11 为全访问
#endif
/* 复位 RCC 时钟配置为默认配置-----------*/
RCC->CR |= RCC_CR_MSION; // 打开 MSION 位
RCC->CFGR = 0x00000000U; // 复位 CFGR 寄存器
RCC->CR &= 0xEAF6FFFFU; // 清除 HSEON,CSSON,HSION ,PLLON 位
RCC->PLLCFGR = 0x00001000U; // 复位 PLLCFGR 寄存器
RCC->CR &= 0xFFFBFFFFU; // 复位 HSEBYP 位
RCC->CIER = 0x00000000U; // 关闭所有的中断
/* 配置中断向量表地址=基地址+偏移地址 ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif
}

复制代码

HAL 库的 SystemInit 函数除了打开 MSI 之外，没有任何时钟相关配置，所以必须编写自己的时钟配置函数。这里，看下正点原子在工程SYSTEM分组下提供的sys.c文件中的时钟初始化函数 SystemClock_Config 的内容：

/*********************************************************************
函数名称：void SystemClock_Config(void)
函数功能：SYSCLK = HSE / PLLM * PLLN / PLLR
SYSCLK = 8M / 1 * 20 /2 = 80M
入口参数：无
返回参数：无
**********************************************************************/
void SystemClock_Config(void)
{
HAL_StatusTypeDef ret = HAL_OK;
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); // 第一步，使能PWR时钟
/*Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;// 时钟源选择为 HSE
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; // 打开 HSE
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; // 打开 PLL
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; // PLL 时钟源为 HSE
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 20;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
ret = HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct); // 第二步，配置时钟源相关参数
/* 第二步主要功能，开启了HSE时钟源，同时选择PLL时钟源为HSE，同时也配置了PLL的参数 M,N,M,P和Q的值，这样就达到了设置PLL时钟源相关参数的目的。设置好PLL时钟源参数，也就是确定了PLL的时钟频率 */
if(ret != HAL_OK) while(1);
/*选中 PLL 作为系统时钟源并且配置 AHB、APB1、APB2*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; // 配置SYSCLK，HCLK、PCLK2、PCLK1四个时钟。
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; // 选择系统时钟源为 PLL
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; // AHB 分频系数为 1
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB1 分频系数为 1
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB2 分频系数为 1
ret = HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4); // 第三步，配置系统时钟源以及SYSCLK、AHB,APB1和APB2的分频系数
/* 第三步配置后，可以计算出：
PLL时钟为 PLLCLK=HSE*N/（M*R）=8MHz*20/(1*2)=80MHz；
选择系统时钟源为 PLL，所以系统时钟SYSCLK=80MHz；
AHB 分频系数为 1，故其频率为 HCLK=SYSCLK/1=80MHz；
APB1 分频系数为 1，故其频率为PCLK1=HCLK/1=80MHz；
APB2 分频系数为 1，故其频率为 PCLK2=HCLK/1=80MHz。*/
if(ret != HAL_OK) while(1);
/*配置主内部调压器输出电压级别*/
ret = HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1); // 第四步，设置调压器输出电压级别
if(ret != HAL_OK) while(1);
}

复制代码

发表于 2022-11-18 09:15

函数 SystemClock_Config 的作用是进行时钟系统配置，除了配置 PLL 相关参数确定SYSCLK值之外，还配置了AHB,APB1和APB2的分频系数，也就是确定了HCLK，PCLK1 和 PCLK2 时钟值。
使用 HAL 库配置 STM32L4 时钟系统的一般步骤：
1.使能 PWR 时钟：调用函数__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE() ，因为后面要设置调压器输出电压级别是电源控制相关配置；
2.配置时钟源相关参数：调用函数 HAL_RCC_OscConfig()。
3.配置系统时钟源以及 SYSCLK 、 AHB,APB1 和 APB2 的分频系数：调用函数HAL_RCC_ClockConfig()。
4.设置调压器输出电压级别：调用函数 HAL_PWREx_ControlVoltageScaling ()。
对于步骤2，使用HAL库来配置时钟源相关参数，调用了HAL_RCC_OscConfig()函数,该函数在HAL库头文件stm32l4xx_hal_rcc.h中声明如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef *RCC_OscInitStruct)

复制代码

HAL_RCC_OscConfig()函数只有一个入口参数，即RCC_OscInitTypeDef类型指针，定义如下：

typedef struct
{
uint32_t OscillatorType; // 需要选择配置的振荡器类型
uint32_t HSEState; // HSE 状态
uint32_t LSEState; // LSE 状态
uint32_t HSIState; // HSI 状态
uint32_t HSICalibrationValue; // HSI 校准值
uint32_t LSIState; // LSI 状态
uint32_t MSIState // MSI 的状态
uint32_t MSICalibrationValue; // MSI 校准值
uint32_t MSIClockRange; // MSI 时钟范围
uint32_t HSI48State; // HSI48 状态
RCC_PLLInitTypeDef PLL; // PLL 配置
}
RCC_OscInitTypeDef;

复制代码

该结构体前几个参数用来选择配置的振荡器类型，如要开启 HSE，那么设置 OscillatorType 的值为 RCC_OSCILLATORTYPE_HSE，然后设置 HSEState 的值为 RCC_HSE_ON 开启 HSE。对于其他时钟源 HSI,LSI 和 LSE，配置方法类似。
该结构体还有一个很重要的成员变量是 PLL，它是结构体 RCC_PLLInitTypeDef 类型。它的作用是配置 PLL相关参数，定义如下：

typedef struct
{
uint32_t PLLState; // PLL 状态
uint32_t PLLSource; // PLL 时钟源
uint32_t PLLM; // PLL 分频系数 M
uint32_t PLLN; // PLL 倍频系数 N
uint32_t PLLP; // PLL 分频系数 P
uint32_t PLLQ; // PLL 分频系数 Q
uint32_t PLLR; // PLL 分频系数 R
}
RCC_PLLInitTypeDef;

复制代码

该结构体主要用来设置 PLL 时钟源以及相关分频倍频参数。

对于步骤3，HAL_RCC_ClockConfig()函数，声明如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency);

复制代码

该函数有两个入口参数，第一个入口参数 RCC_ClkInitStruct 是结构体 RCC_ClkInitTypeDef指针类型，用来设置 SYSCLK 时钟源以及 SYSCLK、AHB，APB1 和 APB2 的分频系数。第二个入口参数 FLatency 用来设置 FLASH 延迟。

对于步骤3中函数 HAL_RCC_ClockConfig 第二个入口参数 FLatency的含义和步骤四，只需要知道调压器输出电压级别 VOS 和FLASH的
延迟Latency 两个参数，在我们芯片电源电压和 HCLK 固定之后，他们两个参数也是固定的。
首先我们来看看调压器输出电压级别 VOS，它是由 PWR 控制寄存器 CR1 的位 10:9 来确定的：

位 15:14 VOS[1:0]
00: Cannot be written
01:Range 1
10:Range 2
11: Cannot be written

复制代码

级别数值越小工作频率越高，所以如果要配置 L4 的主频为 80MHz，那么必须配置调压器输出电压级别 VOS 为级别 1。
配置好调压器输出电压级别 VOS 之后，如果需要 L4 主频要达到 80MHz，还需要配置FLASH 延迟 Latency。对于 STM32L4 系列，FLASH 延迟配置参数值是通过下表来确定的：

可以看出，在 Vcore Range 1 时如果 HCLK 为 80Mhz，那么等待周期要 4WS 也就是5个CPU周期。在SystemClock_Config()函数中，设置值为 FLASH_LATENCY_4，也就是4WS，5个CPU 周期。

三、STM32L4 时钟使能和配置
在配置好时钟系统之后，如果要使用某些外设，例如 GPIO，ADC 等，还要使能这些外设时钟。注意，如果在使用外设之前没有使能外设时钟，这个外设是不可能正常运行的。STM32 的外设时钟使能是在 RCC 相关寄存器中配置的。

通过STM32L4的HAL库使能外设时钟的方法
在 STM32L4 的 HAL 库中，外设时钟使能操作都是在 RCC 相关固件库文件头文件stm32l4xx_hal_rcc.h 定义的。设时钟使能在 HAL 库中都是通过宏定义标识符来实现的。

发表于 2022-11-18 09:15

举个栗子
看看 GPIOA 的外设时钟使能宏定义标识符：

#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg; \
SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN); \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN); \
UNUSED(tmpreg); \
} while(0)

复制代码

这几行代码主要定义了一个宏定义标识符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()，其核心操作是通过下面这行代码实现的：

SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);

复制代码

这行代码的作用是，设置寄存器 RCC->AHB2ENR 的相关位为 1，至于是哪个位，是由宏定义标识符 RCC_AHB2ENR_GPIOAEN 的值决定的，而它的值为：

#define RCC_AHB2ENR_GPIOAEN_Pos (0U)
#define RCC_AHB2ENR_GPIOAEN_Msk (0x1UL << RCC_AHB2ENR_GPIOAEN_Pos)
#define RCC_AHB2ENR_GPIOAEN RCC_AHB2ENR_GPIOAEN_Msk

复制代码

上面三行代码很容易计算出来 RCC_AHB2ENR_GPIOAEN= 0x00000001，因此上面代码的作用是设置寄存器 RCC->AHB2ENR 寄存器的最低位为 1。从 STM32L4 的参考手册中搜索 AHB2ENR 寄存器定义，最低位的作用是用来使用 GPIOA 时钟。AHB2ENR 寄存器的位 0
描述如下：

Bit 0 GPIOAEN: IO port A clock enable // GPIOA 时钟使能
Set and cleared by software. // 由软件置 1 和清零
0: IO port A clock disabled // 禁止 GPIOA 时钟
1: IO port A clock enabled // 使能 GPIOA 时钟

复制代码

那么只要在用户程序中调用宏定义标识符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()就可以实现 GPIOA 时钟使能。使用方法为：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能 GPIOA 时钟

复制代码

对于其他外设，同样都是在 stm32l4xx_hal_rcc.h 头文件中定义，只需要找到相关宏定义标识符即可，这里列出几个常用使能外设时钟的宏定义标识符使用方法：

__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); // 使能 DMA1 时钟
__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); // 使能串口 2 时钟
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); // 使能 TIM1 时钟

复制代码

使用外设的时候需要使能外设时钟，如果不需要使用某个外设，同样可以禁止某个外设时钟。禁止外设时钟使用方法和使能外设时钟非常类似，同样是头文件中定义的宏定义标识符。以 GPIOA 为例，宏定义标识符为：

#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE()
CLEAR_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN)

复制代码

同样，宏定义标识符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE() 的作用是设置RCC->AHB2ENR 寄存器的最低位为0，也就是禁止GPIOA时钟。这里同样列出几个常用的禁止外设时钟的宏定义标识符使用方法：

__HAL_RCC_DMA1_CLK_DISABLE(); // 禁止 DMA1 时钟
__HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE(); // 禁止串口 2 时钟
__HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE(); // 禁止 TIM1 时钟

复制代码

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