STM32有幾個時鐘源 STM32系統(tǒng)時鐘專題講解

在數(shù)字電路中時鐘是整個電路的心臟，電路的的一舉一動都是根據(jù)時鐘節(jié)拍下進(jìn)行的，隨著信息量逐漸提高，對硬件信息處理能力提出了更大的需求，時鐘作為數(shù)字硬件的關(guān)鍵成員，其性能需要我們關(guān)注，尤其在高速電路設(shè)計中對模擬轉(zhuǎn)換芯片對時鐘性能有很高的需求，因此正確選擇時鐘是很關(guān)鍵的一步，前提是我們要了解時鐘的關(guān)鍵參數(shù)咯。在數(shù)字電路中最常見的時鐘元件有晶振和鎖相環(huán)、時鐘緩沖器等，本節(jié)對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行重點講解。

STM32 系統(tǒng)時鐘專題講解

時鐘對于整個硬件系統(tǒng)來說是十分重要的，每一個外設(shè)包括CPU，如果沒有外部時鐘的驅(qū)動就無法工作，時鐘就相當(dāng)于硬件的脈搏，在時鐘驅(qū)動下完成指令執(zhí)行。CPU和外設(shè)工作的快慢和工作效率常用時鐘周期，主頻來進(jìn)行評定。為了讓每一個外設(shè)包括CPU的工作效率達(dá)到最高，我們必須要對時鐘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。頻率越高，系統(tǒng)越快。

時鐘系統(tǒng)是由振蕩器（時鐘源）、定時喚醒器、分頻器等組成的電路。常用的信號源有晶體振蕩器和RC振蕩器。

時鐘是嵌入式系統(tǒng)的脈搏，處理器內(nèi)核在時鐘驅(qū)動下完成指令執(zhí)行，狀態(tài)變換等動作，外設(shè)部件在時鐘的驅(qū)動下完成各種工作，比如串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、A/D轉(zhuǎn)換、定時器計數(shù)等等。因此時鐘對于計算機(jī)系統(tǒng)是至關(guān)重要的，通常時鐘系統(tǒng)出現(xiàn)問題也是致命的，比如振蕩器不起振、振蕩不穩(wěn)、停振等。

時鐘源的頻率一般是比較小的，需要使用倍頻器倍頻后共給CPU和外設(shè)使用，而外設(shè)的頻率很多都沒有CPU的頻率高，所以又需要分頻器進(jìn)行降頻，以適應(yīng)外設(shè)的工作頻率。

振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路，能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流信號輸出的電子電路或裝置。

晶體振蕩器：

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。其優(yōu)點是相對來說振蕩頻率比較穩(wěn)定，精度也較高，精度不易受溫度、濕度等環(huán)境的影響，但價格相對較高，使用時還必須配備兩個起振電容。

STM32中主要有四個時鐘源：

HSI：高速內(nèi)部時鐘，RC振蕩器，頻率為16MHz；該時鐘在系統(tǒng)一上電的時候暫時使用，此時外部管腳還沒有初始化，還無法使用外部高速時鐘，等系統(tǒng)初始化之后，通過配置時鐘就可以切換到外部時鐘源HSE，此后一直使用，倘若系統(tǒng)故障或癱瘓，仍然可以切換到HSI暫時使用，所謂內(nèi)部是指在STM32芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了時鐘源。

HSE：高速外部時鐘，可接石英/陶瓷諧振器，或者接外部時鐘源，頻率范圍為4MHz~26MHz，我們開發(fā)板是25MHz，所謂外部是指通過管腳外接一個時鐘源

LSI：低速內(nèi)部時鐘，RC 振蕩器，頻率為 32kHz 左右。供獨(dú)立看門狗和自動喚醒單元使用。

LSE：低速外部時鐘，接頻率為 32.768kHz（非常精確）的石英晶體。這個主要是 RTC（Real_Time Clock，實時時鐘）的時鐘源，保證時間的精確性，如我們?nèi)粘５氖录幻胍幻氲挠嫊r，都用此時鐘。

由此看出，低速的時鐘源都是給一些特定的外設(shè)使用的，而高速的時鐘源供系統(tǒng)以及大部分外設(shè)使用

復(fù)位和時鐘控制RCC（ restoration and clock control）單元：主要是配置時鐘系統(tǒng)的分頻、倍頻，以及使能外設(shè)時鐘（即打開外設(shè)時鐘的開關(guān)）等，所有的控制都在RCC單元中。

時鐘樹：

1：低速內(nèi)部時鐘，主要給獨(dú)立看門狗進(jìn)行使用

2：低速外部時鐘，外接晶振，大小精確，主要供RTC使用

3：高速內(nèi)部時鐘，16MHz，SW是一個通道選擇器，如果選擇的是HSI，那么該時鐘就被使用稱為SYCCLK。SW作為選擇器，有三種選擇，即HSE、HSI、PLLCLK（經(jīng)過倍頻后的時鐘），芯片正常工作以后常選擇PLLCLK（HSE倍頻后）作為時鐘源，進(jìn)入系統(tǒng)后還可以經(jīng)過分頻系統(tǒng)降頻

4：高速外部時鐘，通常范圍是4-26MHz，STM32f407接的是一個25MHz的晶振，也可以通過SW進(jìn)行選擇成為SYCCLK

5：STM32f407的CPU可以承受的最大主頻為１６８MHz，如果高速時鐘源直接接入CPU，那么CPU的使用效率是很低的，所以應(yīng)當(dāng)經(jīng)過PLL倍頻因子倍頻后再接入，使CPU工作效率達(dá)到最高，高速內(nèi)部時鐘和高速外部時鐘都可以經(jīng)過PLL單元的倍頻再進(jìn)入CPU，因此某些參考書中認(rèn)為PLL單元也是一個時鐘源是有道理的

可通過多個預(yù)分頻器配置 AHB 頻率、高速 APB (APB2) 和低速 APB (APB1)。AHB 域的最大頻率為 168 MHz。高速 APB2 域的最大允許頻率為 84 MHz。低速 APB1 域的最大允許頻率為 42 MHz。

APB和AHB總線，類似于個人PC系統(tǒng)里的北橋和南橋總線。南橋總線上掛接的都是鼠標(biāo)、鍵盤這些慢速的設(shè)備，北橋上掛接顯卡等高速設(shè)備。南橋頻率低，北橋頻率高。另外，南橋最后也要接到北橋上。這些感覺都類似于APB和AHB。AHB，是Advanced High performance Bus的縮寫，譯作高級高性能總線，這是一種“系統(tǒng)總線”。AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接。AHB 系統(tǒng)由主模塊、從模塊和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(Infrastructure)3部分組成，整個AHB總線上的傳輸都由主模塊發(fā)出，由從模塊負(fù)責(zé)回應(yīng)。APB，是Advanced Peripheral Bus的縮寫，這是一種外圍總線。APB主要用于低帶寬的周邊外設(shè)之間的連接，例如UART、1284等，它的總線架構(gòu)不像 AHB支持多個主模塊，在APB里面唯一的主模塊就是APB 橋。再往下，APB2（高速APB）負(fù)責(zé)AD，I/O，高級TIM，串口1；APB1（低速APB）負(fù)責(zé)DA，USB，SPI，I2C，CAN，串口2345，普通TIM。

STM32時鐘配置實例：

配置外部時鐘：

在時鐘配置界面進(jìn)行外部高速時鐘配置時，發(fā)現(xiàn)該配置不可使用（文字圖標(biāo)體現(xiàn)為灰色），那是因為連接外部晶振的管腳還未進(jìn)行初始化，因此先配置管腳。

在RCC配置頁面選擇外部高速時鐘，選擇晶振，之后連接晶振的管腳會自動高亮，如下圖所示。

根據(jù)計算，設(shè)置分頻和倍頻參數(shù)的值，使得外設(shè)和內(nèi)核都可以達(dá)到自己的最大工作頻率。

系統(tǒng)剛上電時啟動時使用的是內(nèi)部高速時鐘源HSI，此設(shè)置在剛上電產(chǎn)生的復(fù)位中斷處理函數(shù)中進(jìn)行，即“=SystemInit”在這個函數(shù)中配置了一些列RCC的寄存器就是為了使用初始時鐘的，之后跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)中，即“=mian”，才進(jìn)行外部高速時鐘源的配置。

在SystemClock_Config();函數(shù)中會進(jìn)行電源的使能以及分頻和倍頻參數(shù)的設(shè)置，以及對系統(tǒng)定時器的重載數(shù)值寄存器進(jìn)行填值等功能，來操控RCC的寄存器實現(xiàn)功能。

SysTick定時器：能夠定時、計數(shù)的器件稱為定時器

SysTick, 稱作系統(tǒng)滴答定時器，簡稱滴答定時器。是一個定時設(shè)備，位于Cortex內(nèi)核中，可以對輸入的時鐘進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)然，如果時鐘信號是周期性的，計數(shù)也就是計時。

系統(tǒng)定時器一般用于操作系統(tǒng)，用于產(chǎn)生時基，維持操作系統(tǒng)的心跳。根據(jù)這個中斷，系統(tǒng)就可以實現(xiàn)時間片的計算從而切換進(jìn)程。

滴答定時器是一個24位定時器，也就是最多能計數(shù)2^24。在使用的時候，我們一般給計數(shù)器送一個初始的計數(shù)值，計數(shù)器向下計數(shù)，每來一個時鐘信號，計數(shù)初值就減一，計數(shù)值減到0的時候，就會發(fā)出一次中斷。然后重新從計數(shù)初值再減一計數(shù)，循環(huán)不斷。

SysTick定時器的時鐘來源是HCLK（168MHz），到達(dá)定時器的時鐘可以選擇分頻，也可以選擇不分頻。默認(rèn)情況下不進(jìn)行分頻，是168MHz。

重載數(shù)值寄存器需要用戶自己填寫，系統(tǒng)上電后，重載數(shù)值寄存器會將自己的value賦給定時器，重載數(shù)值寄存器的值設(shè)定好后，系統(tǒng)整個工作過程中中不會被改變。定時器每接收到一個CLK，就會將重載數(shù)值寄存器賦給自己的value值減1，一般時鐘源越快，減到0的速度也越快。減到0經(jīng)歷的時長為vaue值常以一個CLK周期，在168MHz的情況下，一個CLK的周期為1/(169x1000000)秒。一旦減到0后就可以觸發(fā)異常中斷，同時重載數(shù)值寄存器會再一次將自己的value賦給定時器。所有的定時器的工作原理基本相同，SysTick定時器是系統(tǒng)使用的定時器，而用戶專門使用的定時器為Timer。

需要注意的是系統(tǒng)定時器的中斷配置在一初始化時就默認(rèn)使能了，且默認(rèn)1ms觸發(fā)一次中斷，因為系統(tǒng)的定時器常被操作系統(tǒng)使用，而且我們也不會去屏蔽它。如圖，在初始化外部時鐘源時，在SystemClock_Config();函數(shù)中會自動填充重載數(shù)值寄存器的值為時鐘源頻率除以1000，換算后可得系統(tǒng)每1ms觸發(fā)一次中斷。

系統(tǒng)定時器觸發(fā)異常中斷時會進(jìn)入異常處理函數(shù)SysTick_Handler()，此函數(shù)入口在中斷向量表中存在,本質(zhì)上上調(diào)用HAL_SYSTICK_IRQHandler () ;是真正的中斷處理函數(shù)。而HAL_SYSTICK_IRQHandler ()調(diào)用了一個回調(diào)函數(shù)，而該回調(diào)函數(shù)是弱生成的，用戶可以使用，在函數(shù)內(nèi)部用戶可以重寫邏輯功能，若是帶有操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)會重寫這個回調(diào)函數(shù)，維持系統(tǒng)的時基，對多任務(wù)的進(jìn)程進(jìn)行計數(shù)。

由于系統(tǒng)默認(rèn)每1ms觸發(fā)一次中斷，用戶想要想要達(dá)到1s后進(jìn)行中斷處理功能，可讓系統(tǒng)中斷觸發(fā)1000次，因此在重寫HAL_SYsTICK_Callback ( void)回調(diào)函數(shù)時可進(jìn)行如下編程：

void HAL_SYsTICK_Callback (void){    
  static uint32_t i=0;    
  i++;    
  if(i==1000){        
  printf("systick IRQn");//此處可改為用戶目標(biāo)處理函數(shù)        
  } 
}

補(bǔ)充知識：static關(guān)鍵字在C語言中的用法：

在修飾變量時，static修飾的靜態(tài)局部變量只執(zhí)行一次，而且延長了局部變量的生命周期，直到程序運(yùn)行結(jié)束以后才釋放。以上述代碼為例，每次觸發(fā)中斷進(jìn)入回調(diào)函數(shù)中，i的值不為0，而是保留位上次回調(diào)函數(shù)中i的值。

static修飾全局變量的時，這個全局變量只能在本文件中訪問，不能在其它文件中訪問，即便是extern外部聲明也不可以。

static修飾一個函數(shù)，則這個函數(shù)的只能在本文件中調(diào)用，不能被其他文件調(diào)用。Static修飾的局部變量存放在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的靜態(tài)變量區(qū)。

HAL_Delay()的實現(xiàn)：

//利用SysTick實現(xiàn)精準(zhǔn)的延時 


__weak void HAL_Delay(uint32_tDelay) { 
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();//獲取當(dāng)前的uwTick值賦值給tickstart 
  uint32_t wait = Delay;將用戶要延時的值（單位ms）賦值給wait 
  while((HAL_GetTick() - tickstart) < wait) 
  //只有當(dāng)條件為假的時候退出，否則一直循環(huán) 
  //當(dāng)最新的uwTick值與用戶想要進(jìn)入延時獲得的uwTick的差小于 
  //用戶輸入的延時時間，說明延時時間未到，繼續(xù)循環(huán) 
  { } 
} 


//下面代碼均在文件 stm32f4xx_hal.c 中 
static __IO uint32_t uwTick; //定義計數(shù)全局變量 


__weak uint32_t HAL_GetTick(void){   
  return uwTick; 
} 


//全局變量 uwTick 遞增 
__weak void HAL_IncTick(void) { 
  uwTick++; 
} 


//Systick 中斷服務(wù)函數(shù)：文件 stm32f4xx_it.c 中 
void SysTick_Handler(void) {  
  HAL_IncTick();  
  HAL_SYSTICK_IRQHandler(); 
} 


每隔 1ms，uwTick增加 1 
由于系統(tǒng)默認(rèn)的值每1ms會進(jìn)行一次系統(tǒng)時中斷， 
也就是每1ms會進(jìn)行一次時鐘中斷處理 
在中斷處理函數(shù)中，系統(tǒng)每次都會調(diào)用函數(shù)HAL_IncTick(); 
而函數(shù)HAL_IncTick();的功能是將uwTick的值加1

由于系統(tǒng)默認(rèn)的值每1ms會進(jìn)行一次系統(tǒng)時中斷，也就是每1ms會進(jìn)行一次時鐘中斷處理，在中斷處理函數(shù)SysTick_Hanqler ()中，系統(tǒng)每次都會調(diào)用函數(shù)HAL_IncTick();，而函數(shù)HAL_IncTick();的功能是將uwTick的值加1,由此可知，uwTick的值的單位是1ms。

由此可見，HAL_Delay()功能實現(xiàn)的本質(zhì)就是要保障SysTick_Hanqler ()的正常運(yùn)行以更新uwTick的值，因此一定要保證系統(tǒng)時鐘中斷的優(yōu)先級在整個系統(tǒng)中處于足夠的高的地位，不能有外部中斷的優(yōu)先級比系統(tǒng)時鐘中斷的優(yōu)先級高。

HAL_Delay() 的局限：HAL庫的延時函數(shù)有一個局限性，在中斷服務(wù)函數(shù)中使用HAL_Delay會引起混亂，因為它是通過中斷方式實現(xiàn)，而 Systick 的中斷在一般操作系統(tǒng)優(yōu)先級是最低的，所以在中斷中運(yùn)行 HAL_Delay會導(dǎo)致死鎖的現(xiàn)象。