STM32F10X系列时钟配置

只看该作者 · 2024-4-30 22:23

什么是时钟？为什么需要时钟？如果突然某天有人问大家这个问题，大家会如何回答呢？有人对时钟做了一个定义：时钟是从一个共同的起点开始，对定期事件计数的设备。在我的理解中，时钟就如同生物的脉搏一样，维持着万物最基本的生存。将单片机与人类类比，那么人类心脏的舒张与收缩对应着TTL电平信号的逻辑0与1。隐隐约约感觉到，时钟对单片机(Single Chip Microcomputer)而言是至关重要的。

1971年以英特尔4004为代表的微处理器（MPU）诞生，4004使用了晶体振荡器作为系统时钟发生器。随后微机朝着运算和控制两个方向蓬勃发展，也就出现了后来的微控制器（MCU，全称Microcontroller Unit，与单片机意思相近），可以说单片机数字电路时代的产物。单片机的核心部分是CPU，图1-1展示出CPU由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分组成的内部结构。从这可以看出，CPU离不开时钟信号，自然而然单片机也就离不开时钟信号。

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不过到目前为止，好像仍然只是知其然而不知所以然。想要知道这个问题的答案，只能从其真实的内部电路入手了。图1-2为4004内核微处理器的内部结构，片内由2250个晶体管组成。

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图片有些庞大，我们随便放大一处看看，放大后的图片如图1-3所示。可以看出其内部结构是由各种晶体管构成的，没有任何运算放大电路，妥妥的数字电路结构。

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学过数字电子技术的我们知道，与、或、非、与非、或非、与或非、异或等各种门电路是数字电路的基本单元，虽然他们结构多样且复杂，但通常可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。同时我们也知道单片机是由运算器、控制器、存储器以及输入输出设备构成，其内部具体电路是由逻辑函数化简而来，不太好直接分析。曲线救国，那我们看看MicroChip设计的PIC16F877单片机的GPIO内部结构，如图1-4所示。

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PIC16F877单片机的GPIO包含输出锁存器D1、方向锁存器D2这两个边沿触发的同步D触发器（边沿D触发器），触发器的输出不仅和D口有关，还受到时钟边沿CK的控制，从这可以看出单片机连要控制最基本的GPIO都需要时钟边沿。那么单片机最基本的定时又是如何实现的呢，我们来看看他的外设Timer1的基本结构，如图1-5所示。

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当PIC16F877单片机的Timer1工作在定时模式时，TMRON被置1使能Timer1，TMR1CS (T1CON<1>) bit被置为0，数据选择器(MUX，全称Multiplexer)选择将4分频的晶振时钟信号（Focs/4）传递到预分配器Prescaler中进一步分频。定时时钟源（Fosc/4）是系统时钟系统时钟Fsys（Fsys=Fosc）分频而来，在每个上升沿时钟到来时系统时钟也是一致上升的，T1SYNC为0或1是同样的效果（原文：The synchronize control bit T1SYNC (T1CON<2>) has no effect, since the internal clock is always in sync.）。最后寄存器TMR1在定时时钟脉冲的作用下进一，完成定时功能。其他诸如UART、CCP等外设则更是需要精准的时钟信号来稳定工作，时钟对单片机的重要性不言而喻。

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时钟是如何产生的？
时钟其实就是一个不断振荡的电路产生周期性的高低电平，不过单片机对这个振荡电路频率的稳定性有着很高的要求。从原理出发，振荡电路有很多种类，常见的有RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路、石英晶体振荡电路、陶瓷振荡电路等。

STM32F103C8T6单片机内部集成了一个8MHz的RC振荡电路（HSI）和一个40KHz的RC振荡电路(LSI)，不过RC振荡电路的时钟频率与电阻和电容的精度、制造工艺、环境温湿度、供电电压都有关系，通常只用在低频下使用，STM32官方在技术手册中也直言实际LSI实际频率介于30-60KHz之间。RC振荡电路由放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节四个部分组成，根据选频网络的不同又可分为RC相移振荡电路和文氏电桥振荡电路。

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由于RC振荡电路一般被集成在片内，石英晶体振荡电路可能才是大家见过最多的振荡电路。有给STC89C52RC单片机焊接过的小伙伴应该都有在单片机XTAL1和XTAL2引脚焊接一个晶振和22pF电容的经历，焊接的晶振可能在图2-1中出现过，其实这就是石英晶体振荡电路最外面的部分。

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石英晶体振荡器的特点是高精度和高稳定度，其振荡频率和晶体的切片方向有关，常规电路连接如图2-2所示。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。晶振两端一般要通过两个负载电容接地，负载电容的容值与晶振频率相关。这个值一般厂家会给出，MicroChip就在PIC16F877的datasheet中给出建议，其中LP指低功率石英晶体、XT指晶体/共振器、HS指高速晶体/共振器，详细数据如图2-2所示。

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此外，常在晶振两端引脚并联一个1MΩ的反馈电阻，串联一个1KΩ的限流电阻来使得振荡电路更加稳定地工作，接线如图2-3所示。

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STM32时钟结构框架
STM32F10X系列的微控制器根据是否片内集成时钟发生器可分为内部集成的RC振荡电路和外部时钟电路。外部时钟可由接在单片机OSC32_OUT和OSC32_IN、OSC_OUT和OSC_IN引脚的石英/陶瓷振荡产生，也可由外部时钟发生器从OSC32_IN、OSC_IN输入。

若根据时钟速度可划分为高速时钟电路和低速时钟电路。高速时钟电路包括高速内部时钟（HSI）和高速外部时钟（HSE）。HSE通常是由接在OSC_OUT和OSC_IN引脚两端的8MHz晶振产生的，LSE通常是由接在OSC32_OUT和OSC32_IN引脚两端的32.768KHz晶振产生，时钟引脚位置可参考图3-1。

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专有名词解释：

HSE(High Speed External Clock signal)：高速外部时钟信号，4-16MHz外部晶体/陶瓷谐振器或有源时钟

HSI(High Speed Internal Clock signal)：高速内部时钟信号，8MHz RC振荡器

LSE(Low Speed External Clock signal)：低速外部时钟信号，32.768KHz外部晶体振荡器

LSI(Low Speed Internal Clock signal)：低速内部时钟信号，40KHz内部RC振荡器

PLL(Phase-Locked Loop)：锁相环，由时钟树可知可以倍频HSI、HSE

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图 3-1 STM32F103C8T6引脚分布

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有了上面知识的铺垫，下面我们来看STM32F10X系列微控制器的内部时钟电路（俗称时钟树，初学看起来确实太复杂，不过这也是STM32实现低功耗的制胜法宝），如图3-2所示。

初次看这张图会很烦躁，不知从何下手，我当时也是这样的。不过当我们将关注点放在时钟来源HSI、HSE、LSI、LSE这四个上面，从左往右捋，就会简单很多，反正时钟是从这儿出发的嘛。

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我们先看低速的LSI和LSE，就给RTC（Real Time Clock，实时时钟）提供时钟，LSI除了给RTC供时钟外还给独立看门狗IWDT提供时钟。

然后我们再关注一下系统时钟SYSCLK，我们看HSI和HSE是怎么到他那儿去的。通过观察发现系统时钟SYSCLK由数据选择器SW从HSI、HSE、PLLCLK中选择一个，记住这一点，灰常重要。HSI、HSE不说了，选择他做时钟源的话，他是多少频率，系统时钟就是多少频率，重点关注PLLCLK。从HSI这条路来看，它可以由HSI（8MHz）2分频后（变4MHz）进入数据选择器PLLSCR，再经过锁相环PLLMUL倍频（x4,x5,x9什么的，自己看）成PLLCLK。值得注意的是，由HSI经锁相环倍频后的最高频率为64MHz（8/2*16）。从HSE这条路来看，它可以由HSE先进入数据选择器PLLDIV1预分频（/1,2,3,4....,16中选择一个来除），再经过锁相环PLLMUL倍频，最高可到系统时钟上限72MHz。有一个好玩的地方，很多资料喜欢说STM32F103C8T6支持72MHz的系统时钟，然后有人傻傻的以为接了个72MHz的晶振，现在知道为什么板子接的8MHz晶振但是系统主频却是72MHz了吧。

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最后关注一下AHB、APB1、APB2这3个时钟总线，上面我们关注的是系统时钟，我们顺延下来就可以看到其他外设的时钟是什么样子的了。之所以这样，我猜也是平衡性能和降低功耗哦，我们每次用一个外设都得开一次对应的时钟就是这个原因。你想嘛，外设与外设工作频率肯定不一样啊，都跟系统时钟一样快容易出问题的，比说说ADC采集模拟信号时时间越长越精准嘛。不同外设挂载到不同时钟总线上，总结如图3-3所示。

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从源代码上分析时钟是如何选择的
这里我就用标准库给大家讲啦，寄存器太难了[呜呜呜~]。相信大家用的标准库大多都是V3.5.0了吧，毕竟2011年就推出了，然后就不维护更新了。什么？你不知道标准库用的哪个版本的？好吧，我们找到并打开stm32f10x.h，对了这个x表示无关项，意思就是stm32f100啊、stm32f103啊、stm32f107啊什么的都适用。打开了吧，然后我们拉到最前面就能看到@version了，图4-1中的库版本就是3.0.0的，不是3.5.0的哦。