一文了解STM32F407的電源復(fù)位及LSE時鐘設(shè)計

14.1 初學(xué)者重要提示

電源管理部分涉及到的各種低功耗方式會在后面章節(jié)中為大家講解，當(dāng)前階段僅需了解低功耗屬于電源管理部分即可。

14.2 電源

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的根本，主要分為以下幾個知識點，電源供電、供電監(jiān)控、電源管理和低功耗。當(dāng)前階段主要了解電源供電和硬件上電時序。

14.2.1 電源供電

學(xué)習(xí)STM32F407的電源供電，往往被一堆電源標(biāo)識Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，這些標(biāo)識整明白了，電源供電部分也就理解了，首先看下面的框圖：

這些常用標(biāo)識的解釋如下：

對于電源供電部分了解了這些知識點就夠用。

14.2.2 電源去耦電容的選擇

每個電源對 （VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必須使用下述的濾波陶瓷電容去耦。這些電容必須盡量靠近芯片引腳，以確保器件正常工作。不建議去掉濾波電容來降低PCB 尺寸或成本，這可能導(dǎo)致器件工作不正常。?

14.3 硬件復(fù)位

所有數(shù)字計算機(jī)系統(tǒng)都是由某種形式的震蕩時鐘電路驅(qū)動的。這種電路被稱為系統(tǒng)的“脈搏”，是系統(tǒng)正確運行的關(guān)鍵。如果振蕩器失靈，系統(tǒng)將完全無法運行，如果振蕩器運行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行的所有與時間有關(guān)的計算都會有誤差。

所有微控制器的啟動流程都不通用。由于硬件的復(fù)雜性，必須運行一段由廠家定義的短小的“復(fù)位程序”來使硬件處于一種正確的狀態(tài)，然后再開始執(zhí)行用戶程序。運行這個復(fù)位程序需要時間并且要求微控制器的振蕩器已經(jīng)運行。

當(dāng)系統(tǒng)由可靠的電源供電時，一旦通電，電源迅速地達(dá)到額定輸出電壓，一旦斷電，電源迅速地下降到0V，并且在接通的時候，電壓不會降低。這時能夠可靠地使用基于一個電容和一個電阻的低成本硬件復(fù)位。這種形式的復(fù)位電路稱為阻容復(fù)位。

如果電源不夠可靠，而涉及安全性，這種簡單的阻容解決方案就不合適了。

14.3.1 上電復(fù)位和手動復(fù)位

STM32F407開發(fā)板的硬件復(fù)位原理圖如下：

STM32這款CPU的復(fù)位引腳是低電平有效，即NRST為低電平時，CPU處于復(fù)位狀態(tài)。

R84和C53組成簡單的RC復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)上電瞬間，C114電容兩端電壓可以認(rèn)為是0，CPU處于復(fù)位狀態(tài)。3.3V電源通過R84給C53充電，當(dāng)C53的電壓升到CPU的高電平門檻電壓時，CPU退出復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。

在設(shè)計電路時，需要選擇適當(dāng)?shù)腞值和C值，以保證NRST低電平持續(xù)時間滿足CPU復(fù)位最小脈寬的要求。

當(dāng)按下S4輕觸開關(guān)時，C53兩端被短路接地，可實現(xiàn)手動復(fù)位CPU。

注，根據(jù)需要，大家也可以使用STM32F407 NRST引腳的內(nèi)部上拉：

14.3.2 復(fù)位序列

前面第11章的13.3.1小節(jié)講解了復(fù)位系列的相關(guān)知識，再結(jié)合本章節(jié)的上電復(fù)位和下電復(fù)位，大家會對其有一個較全面的認(rèn)識，更多復(fù)位序列的知識直接看13.3.1小節(jié)即可。

14.4 軟件復(fù)位

除了上電和手動復(fù)位，程序設(shè)計設(shè)置中還經(jīng)常要用到軟件復(fù)位，即調(diào)用一條函數(shù)就可以實現(xiàn)復(fù)位功能。此函數(shù)已經(jīng)由CMSIS軟件包中的core_cm4.h文件提供，函數(shù)如下：

/**
  \brief   System Reset
  \details Initiates a system reset request to reset the MCU.
 */
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{
  __DSB();                                  /* Ensure all outstanding memory accesses included
                                              buffered write are completed before reset */
  SCB->AIRCR  = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)    |
                           (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
                            SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk    );        /* Keep priority group unchanged */
  __DSB();                                                         /* Ensure completion of memory access */

  for(;;)                                                          /* wait until reset */
  {
    __NOP();
  }
}

軟件復(fù)位反映到實際硬件上，就是給硬件復(fù)位部分發(fā)一個復(fù)位信號：

14.5 RCC時鐘控制

STM32F407有如下六種時鐘可供使用：

HSI (High-speed internal oscillator) ：

HSI是內(nèi)部的高速RC振蕩器，頻率16MHz，可被用于系統(tǒng)時鐘。優(yōu)勢是低成本，無需外部時鐘，快速啟動（僅需幾個微秒），缺點是精度差，即使經(jīng)過校準(zhǔn)。

HSE (High-speed external oscillator):

HSE是外部的高速振蕩器，通過外接時鐘源，有源或者無源晶振驅(qū)動，時鐘范圍4-26MHz。優(yōu)勢是精度高，缺點是增加成本。

LSE (Low-speed external oscillator)

LSE是外部的低速振蕩器，通過外接時鐘源，有源或者無源晶振驅(qū)動，一般接32.768KHz，主要用于RTC實時時鐘。

LSI (Low-speed internal oscillator)

LSI是內(nèi)部的低速RC振蕩器，頻率約是32KHz，主要用于獨立看門狗和自動喚醒，也可以用于RTC實時時鐘。

通過下面的時鐘樹再進(jìn)一步的認(rèn)識這幾個時鐘：

14.5.1 HSE和LSE硬件設(shè)計

HSE時鐘

當(dāng)前V5開發(fā)板是用的25MHz晶振為HSE提供時鐘，硬件設(shè)計如下：

晶振和負(fù)載電容需要盡可能近地靠近F4的晶振引腳，以減小輸出失真和啟動穩(wěn)定時間。負(fù)載電容值必須根據(jù)選定的晶振進(jìn)行調(diào)節(jié)。 

對于C46和C47，我們推薦使用高質(zhì)量陶瓷電容，這種電容是設(shè)計用于需要高頻率的場合，并且可以滿足晶體或諧振器的需求。C46和C47通常具有相同的值。

這里再額外補充一個知識點，HSE旁路時鐘和外置晶振區(qū)別：當(dāng)前V5板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 時鐘可以使用一個4到26MHz 的晶振 / 陶瓷諧振振蕩器產(chǎn)生：

而bypass 旁路的意思就是不使用它，繞過它。具體到HSE旁路的話，用戶直接提供4-26MHz的時鐘源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供時鐘等方式：

LSE時鐘

當(dāng)前V5開發(fā)板是用的32768Hz晶振為LSE提供時鐘，硬件設(shè)計如下：

STM32的LSE晶振起振難（又稱RTC起振）是老毛病了，選取晶振和配套電容比較講究，最好按照ST提供的廠家和配套電容選?。篽ttp://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87673?。

14.5.2 時鐘配置

STM32F4開發(fā)板使用的外部晶振頻率是25MHz，下面分步說明如何讓其通過這個頻率工作到168MHz的主頻。

第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE

配置的大小要跟板子的實際晶振大小匹配。

#if !defined  (HSE_VALUE) 
#define HSE_VALUE    ((uint32_t)25000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */

第2步：系統(tǒng)上電后，在啟動文件startup_stm32f429xx.s的復(fù)位中斷服務(wù)程序里面會調(diào)用函數(shù)SystemInit。

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                    [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

以往STM32F1和STM32F4系列都會在函數(shù)SystemInit里面配置PLL鎖相環(huán)，使用了HAL后，需要在main函數(shù)里面配置。當(dāng)前SystemInit函數(shù)實現(xiàn)的功能如下：

1. /**

2.      * @brief  Setup the microcontroller system
3.      *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4.      *         configuration.
5.      * @param  None
6.      * @retval None
7.      */
8.    void SystemInit(void)
9.    {
10.      /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11.      #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12.        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
13.      #endif
14.      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15.      /* Set HSION bit */
16.      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.    
24.      /* Reset PLLCFGR register */
25.      RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.    
27.      /* Reset HSEBYP bit */
28.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.    
30.      /* Disable all interrupts */
31.      RCC->CIR = 0x00000000;
32.    
33.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34.      SystemInit_ExtMemCtl(); 
35.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.    
37.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
39.      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40.    #else
41.      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42.    #endif
43.    }

第12行：使能FPU單元。

第16 – 31行：復(fù)位RCC相關(guān)寄存器。

第69 – 73行：設(shè)置中斷向量表的位置。

第3步：在main函數(shù)的外設(shè)驅(qū)動初始化函數(shù)里面完成時鐘初始化，主要是PLL鎖相環(huán)，讓芯片最終工作到168MHz。

14.6 總結(jié)

本章節(jié)就為大家講解這么多，本章節(jié)的知識點相對比較多，比較雜，不容易一下子都掌握了。隨著后面章節(jié)的進(jìn)行，還會深入的講解這些知識點。