【GD32 MCU入门教程】四、GD32 MCU 常见外设介绍（1）RCU 时钟介绍

发表于 2024-8-9 09:39

本帖最后由聚沃科技于 2024-9-18 10:58 编辑

众所周知，时钟是MCU能正常运行的基本条件，就好比心跳或脉搏，为所有的工作单元提供时间基数。时钟控制单元提供了一系列频率的时钟功能，包括多个内部RC振荡器时钟(IRC)、一个外部高速晶体振荡器时钟(HXTAL)、一个外部低速晶体振荡器时钟(LXTAL)、一个或多个锁相环（PLL）一个HXTAL时钟和LXTAL时钟监视器、时钟预分频器、时钟多路复用器和时钟门控电路等。本章，我们将通过一个“输出HXTAL时钟信号” 的实验来熟悉RCU的工作流程。

1.1RCU 配置

GD32系列MCU在启动后首先会执行Reset Handler，紧接着就会执行SystemInit()函数，而时钟的初始化，就是在这个函数中进行，其主要的功能是配置系统时钟CK_SYS(即主频)，AHB、APB1以及APB2时钟。SystemInit()函数由GD32官方库提供，不同系列的MCU有一些差别，但实现方式基本相同：首先将RCU关于CK_SYS，AHB、APB1以及APB2时钟配置的一些寄存器恢复到默认值，然后再执行system_clock_config()函数，用于具体的时钟配置。

实际上用户可以不用过于关心上述的实现方式，因为GD32库已经为您提供了多种时钟源及时钟选择，您只需按照以下步骤即可将时钟设置为您期望的值(以GD32F30x为例，其他系列类似)：

(1) 在system_gd32f30x.c中，用户可通过选择宏来进行预设的时钟配置，如下图代码清单时钟配置选择宏定义，选择了HXTAL作为PLL时钟源，且配置CK_SYS为120MHz。

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/* 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 (__IRC8M) /* main oscillator frequency */

/* select a system clock by uncommenting the following line */

/* use IRC8M */

//#define __SYSTEM_CLOCK_IRC8M (uint32_t)(__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)

//#define __SYSTEM_CLOCK_120M_PLL_IRC8M (uint32_t)(120000000)

/* use HXTAL(XD series CK_HXTAL = 8M, CL series CK_HXTAL = 25M) */

//#define __SYSTEM_CLOCK_HXTAL (uint32_t)(__HXTAL)

//#define __SYSTEM_CLOCK_48M_PLL_HXTAL (uint32_t)(48000000)

//#define __SYSTEM_CLOCK_72M_PLL_HXTAL (uint32_t)(72000000)

//#define __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL (uint32_t)(108000000)

#define __SYSTEM_CLOCK_120M_PLL_HXTAL (uint32_t)(120000000)

但这种情况下您使用的外部晶振需要是默认值，此值由HXTAL_VALUE定义，如为8000000，那么您应该选择8MHz的外部晶振。

当然，您可以使用其他规格的外部晶振，这种情况下就需要去修改RCU配置函数里面的一些参数，主要是分频和倍频系数，以达到期望的配置，具体如何修改，可以结合GD32的User manual中定义的RCU寄存器来对配置函数进行分析。

(2) 设置HXTAL_VALUE的值。

此数值和RCU的初始化其实并没有太大关系，但如果您使用的外部晶振不是默认值，那么除了按照步骤(1)修改配置参数外，您还必须将此HXTAL_VALUE的值修改为实际的外部晶振频率，这是因为在一些通信外设配置时，库函数会调用HXTAL_VALUE值来设置波特率，如此值设置错误，会导致通信异常。

1.2.非默认外部晶振配置时钟实例

GD32各系列固件库都已提供配置系统时钟的函数。需要注意的是，在使用外部晶振时，固件库中HXTAL_VALUE值规定了外部晶振的默认值，以 GD32F30x系列为例，如下图代码清单HXTAL_VALUE选择宏定义所示，当芯片为非互联型(GD32F303)时，默认使用的外部晶振频率为8MHz，当芯片为互联型(GD32F305/307)时，默认使用的外部晶振频率为25MHz。

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#ifdef GD32F30X_CL 

#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)25000000) 

#else 

#define HXTAL_VALUE ((uint32_t)8000000)

那么，当我们使用非默认值的外部晶振时，该如何修改时钟配置函数呢？以GD32F303为例，首先我们先看下GD32F303的时钟树，如图所示。

预分频器可以配置AHB、APB2和APB1域的时钟频率。 AHB、APB2、APB1域的最高时钟频率分别为120MHz、120MHz、60MHz。RCU通过AHB时钟(HCLK)8分频后作为Cortex系统定时器(SysTick)的外部时钟。通过对SysTick控制和状态寄存器的设置，可选择上述时钟或AHB(HCLK)时钟作为SysTick时钟。

ADC时钟由APB2时钟经2、4、6、8、12、16分频或由AHB时钟经5、6、10、20分频获得，它们是通过设置RCU_CFG0和RCU_CFG1寄存器的ADCPSC位来选择。

SDIO, EXMC的时钟由CK_AHB提供。

TIMER时钟由CK_APB1和CK_APB2时钟分频获得，如果APBx(x=0,1)的分频系数不为1，则TIMER时钟为CK_APBx(x=0,1)的两倍。

USBD的时钟由CK48M时钟提供。通过配置 RCU_ADDCTL寄存器的CK48MSEL及PLL48MSEL位可以选择CK_PLL时钟或IRC48M时钟做为CK48M的时钟源。

CTC时钟由IRC48M时钟提供，通过CTC单元，可以实现IRC48M时钟精度的自动调整。

I2S的时钟由CK_SYS提供。

通过配置RCU_BDCTL寄存器的RTCSRC位， RTC时钟可以选择由LXTAL时钟、IRC40K时钟或HXTAL时钟的128分频提供。RTC时钟选择HXTAL时钟的128分频做为时钟源后，当1.2V内核电压域掉电时，时钟将停止。 RTC时钟选择IRC40K时钟做为时钟源后，当VDD掉电时，时钟将停止。

RTC时钟选择LXTAL时钟做为时钟源后，当VDD和VBAT都掉电时，时钟将停止。

当FWDGT启动时， FWDGT时钟被强制选择由IRC40K时钟做为时钟源。

现在，我们结合图GD32F303系统时钟树对时钟树进行分析：

(1) 标注A为CK_SYS，即系统主时钟，它一条线连接至CK_I2S，给I2S外设提供时钟，另一条线经过AHB分频器，输出到CK_AHB，即标注B。

(2) CK_AHB为AHB总线时钟，AHB总线时钟或直连，或经过APB1/APB2分频，给标注C位置的外设提供时钟。

(3) 那么，CK_SYS从何而来呢，我们看标注A的左边，CK_SYS通过SCS位域选择CK_IRC8M、CK_PLL、CK_HXTAL作为时钟来源，其中CK_IRC8M来源于标注D，即IRC8M(MCU内部8M RC时钟)；CK_HXTAL来源于标注F，即HXTAL(外部时钟)；CK_PLL的来源较复杂，我们单独拿出来说。

(4) CK_PLL来源于锁相环倍频器输出，倍频系数通过PLLMF位域选择，而PLLMF来源于两个地方，一个为 IRC8M 的 2 分频，另外一个为预分频器 PREDV0 ，而 PREDV0 来源于标注 E，即CK_IRC48M(内部48M RC时钟)和标注F，即HXTAL(外部高速时钟)。

(5) 通过以上分析可以得出结论，CK_PLL的时钟源为D：IRC8M、E：IRC48M、F：HXTAL，用户通过相关寄存器设置选择时钟线。

(6) 和前面分析相同，RTC的时钟来自于F：HXTAL的128分频、G：LXTAL(外部32.768K低速时钟)、F：IRC40K(内部40K RC时钟)；FWDGT的时钟来源于F：IRC40K。

(7) 标注I位置为时钟输出线，它的作用是将MCU内部的一些时钟信号线输出到特定IO口上(大部分系列MCU的PA8口都可被设置为时钟输出口0，有些系列MCU含有两组输出IO，具体IO配置请参考各系列MCU Datasheet)用来给其他器件提供基准时钟。由图中可看出通过设置位域CK_OUT0,输出的时钟包括CK_PLL、CK_IRC8M、CK_HXTAL、CK_PLL的2分频。

结合以上分析，我们来看下GD32F30x固件库时钟配置函数(因篇幅有限，只贴出各分频和倍频配置部分)，还是以GD32F303芯片为例，如下图代码清单时钟配置部分代码所示：

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/* select HXTAL/2 as clock source */

RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0);

RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL_IRC48M | RCU_CFG0_PREDV0);

/* CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 30 = 120 MHz */

RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4 | RCU_CFG0_PLLMF_5);

RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL30;

可以看出，8MHz的HXTAL经过预分频器PREDV0分频成4MHz，再通过锁相环PLL倍频30倍到了120MHz。

那么，当您选择其他规格的外部晶振，比如12MHz，则可以先通过预分频器PREDV0分频成6MHz，再通过锁相环PLL倍频20倍即可，如代码清单 0-4. 使用12MHz外部晶振配置120M系统时钟所示。

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/* select HXTAL/2 as clock source */

RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0);

RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL_IRC48M | RCU_CFG0_PREDV0);

/* CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 20 = 120 MHz */

RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4 | RCU_CFG0_PLLMF_5);

RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL20;

当然，在修改完配置函数后，别忘了将HXTAL_VALUE值改为12000000。

需要注意的是，在进行时钟配置时，要严格按照Datasheet中规定的时钟范围进行配置，如GD32F303的 HXTAL的选择范围是4~32MHz， PLL的输入范围是 1~25MHz，输出范围是16~120Mhz，所以当使用32MHz的外部晶振时，不进行预分频，而直接倍频是不被允许的。

1.3.硬件连接说明

本章通过“输出HXTAL时钟信号”实验来熟悉RCU的工作流程。

通过前面内容讲解可知，本章实验为“输出HXTAL时钟信号”，即通过PA8口将HXTAL输出，我们使用示波器，将探头连接到PA8口，从示波器上读取PA8口波形即可。

1.4.软件配置说明

本小节讲解RCU_Example例程中RCU的配置说明，主要包括外设时钟配置、GPIO引脚配置、主函数介绍以及运行结果。

软件设计的流程如下：

（1）使能GPIOA时钟

（2）初始化PA8，将此端口设置为备用功能模式(AFIO)

（3）通过调用库函数选择HXTAL作为PA8时钟信号源

外设时钟配置

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void rcu_config(void)

{

/* enable the GPIOA clock */

rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

}

GPIO 引脚配置

代码清单 0-6. RCU 例程引脚配置

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void gpio_config(void)

{

/* configure PA8 port */ 

#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X 

gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_8);

#elif GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X

gpio_mode_set(GPIOA,GPIO_MODE_AF,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_8);

gpio_af_set(GPIOA,GPIO_AF_0,GPIO_PIN_8);

#endif

}

GPIO的配置说明，请参考GPIO章节。

主函数说明

代码清单 0-7 . RCU 例程主函数

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int main(void)

{

rcu_config();

gpio_config();

#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32E10X

rcu_ckout0_config(RCU_CKOUT0SRC_HXTAL);

#elif defined GD32F20X_CL || GD32F4XX

rcu_ckout0_config(RCU_CKOUT0SRC_HXTAL,RCU_CKOUT0_DIV1);

#elif GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32E23X

rcu_ckout_config(RCU_CKOUTSRC_HXTAL,RCU_CKOUT_DIV1);

#endif

 while(1){

 }

}

如代码清单RCU例程主函数，该主函数主要分成四部分，RCU时钟配置、GPIO配置、RCU输出相关库函数调用和while(1)主循环，其中RCU输出相关库函数请读者结合各系列MCU Datasheet、User Manual进行RCU例程的分析。

注意：因为是输出HXTAL，所以必须要使能HXTAL，否则PA8将无波形输出。一个简单的办法是将HXTAL作为CK_SYS时钟源，请参考本章第一节内容。

1.5.运行结果

如图所示 RCU 例程运行结果为 RCU 例程运行结果，可看出，PA8 口正确输出了 HXTAL 波形。

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