【GD32 MCU 入門教程】GD32 MCU 常見外設(shè)介紹（1）RCU 時鐘介紹

眾所周知，時鐘是MCU能正常運行的基本條件，就好比心跳或脈搏，為所有的工作單元提供時間 基數(shù)。時鐘控制單元提供了一系列頻率的時鐘功能，包括多個內(nèi)部RC振蕩器時鐘(IRC)、一個外部 高速晶體振蕩器時鐘(HXTAL)、一個外部低速晶體振蕩器時鐘(LXTAL)、一個或多個鎖相環(huán)（PLL） 一個HXTAL時鐘和LXTAL時鐘監(jiān)視器、時鐘預(yù)分頻器、時鐘多路復(fù)用器和時鐘門控電路等。 本章，我們將通過一個“輸出HXTAL時鐘信號” 的實驗來熟悉RCU的工作流程。

1.1RCU 配置

GD32系列MCU在啟動后首先會執(zhí)行Reset Handler，緊接著就會執(zhí)行SystemInit()函數(shù)，而時鐘的初始化，就是在這個函數(shù)中進行，其主要的功能是配置系統(tǒng)時鐘CK_SYS(即主頻)，AHB、APB1以及APB2時鐘。SystemInit()函數(shù)由GD32官方庫提供，不同系列的MCU有一些差別，但實現(xiàn)方式基本相同：首先將RCU關(guān)于CK_SYS，AHB、APB1以及APB2時鐘配置的一些寄存器恢復(fù)到默認(rèn)值，然后再執(zhí)行system_clock_config()函數(shù)，用于具體的時鐘配置。

實際上用戶可以不用過于關(guān)心上述的實現(xiàn)方式，因為GD32庫已經(jīng)為您提供了多種時鐘源及時鐘選擇，您只需按照以下步驟即可將時鐘設(shè)置為您期望的值(以GD32F30x為例，其他系列類似)：

(1) 在system_gd32f30x.c中，用戶可通過選擇宏來進行預(yù)設(shè)的時鐘配置，如下圖代碼清單時鐘配置選擇宏定義，選擇了HXTAL作為PLL時鐘源，且配置CK_SYS為120MHz。

/* 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)

但這種情況下您使用的外部晶振需要是默認(rèn)值，此值由HXTAL_VALUE定義，如為8000000，那么您應(yīng)該選擇8MHz的外部晶振。

當(dāng)然，您可以使用其他規(guī)格的外部晶振，這種情況下就需要去修改RCU配置函數(shù)里面的一些參數(shù)，主要是分頻和倍頻系數(shù)，以達(dá)到期望的配置，具體如何修改，可以結(jié)合GD32的User manual中定義的RCU寄存器來對配置函數(shù)進行分析。

(2) 設(shè)置HXTAL_VALUE的值。

此數(shù)值和RCU的初始化其實并沒有太大關(guān)系，但如果您使用的外部晶振不是默認(rèn)值，那么除了按照步驟(1)修改配置參數(shù)外，您還必須將此HXTAL_VALUE的值修改為實際的外部晶振頻率，這是因為在一些通信外設(shè)配置時，庫函數(shù)會調(diào)用HXTAL_VALUE值來設(shè)置波特率，如此值設(shè)置錯誤，會導(dǎo)致通信異常。

1.2.非默認(rèn)外部晶振配置時鐘實例

GD32各系列固件庫都已提供配置系統(tǒng)時鐘的函數(shù)。需要注意的是，在使用外部晶振時，固件庫中HXTAL_VALUE值規(guī)定了 外部晶振的默認(rèn)值，以 GD32F30x系列為例，如下圖代碼清單HXTAL_VALUE選擇宏定義所示，當(dāng)芯片為非互聯(lián)型(GD32F303)時，默認(rèn)使用的外部晶振頻率為8MHz，當(dāng)芯片為互聯(lián)型(GD32F305/307)時，默認(rèn)使用的外部晶振頻率為25MHz。

#ifdef GD32F30X_CL #define HXTAL_VALUE ((uint32_t)25000000) #else #define HXTAL_VALUE ((uint32_t)8000000)

那么，當(dāng)我們使用非默認(rèn)值的外部晶振時，該如何修改時鐘配置函數(shù)呢？以GD32F303為例，首先我們先看下GD32F303的時鐘樹，如圖所示。

預(yù)分頻器可以配置AHB、APB2和APB1域的時鐘頻率。 AHB、APB2、APB1域的最高時鐘頻率分別為120MHz、120MHz、60MHz。RCU通過AHB時鐘(HCLK)8分頻后作為Cortex系統(tǒng)定時器(SysTick)的外部時鐘。通過對SysTick控制和狀態(tài)寄存器的設(shè)置，可選擇上述時鐘或AHB(HCLK)時鐘作為SysTick時鐘。

ADC時鐘由APB2時鐘經(jīng)2、4、6、8、12、16分頻或由AHB時鐘經(jīng)5、6、10、20分頻獲得，它們是通過設(shè)置RCU_CFG0和RCU_CFG1寄存器的ADCPSC位來選擇。

SDIO, EXMC的時鐘由CK_AHB提供。

TIMER時鐘由CK_APB1和CK_APB2時鐘分頻獲得，如果APBx(x=0,1)的分頻系數(shù)不為1，則TIMER時鐘為CK_APBx(x=0,1)的兩倍。

USBD的時鐘由CK48M時鐘提供。通過配置 RCU_ADDCTL寄存器的CK48MSEL及PLL48MSEL位可以選擇CK_PLL時鐘或IRC48M時鐘做為CK48M的時鐘源。

CTC時鐘由IRC48M時鐘提供，通過CTC單元，可以實現(xiàn)IRC48M時鐘精度的自動調(diào)整。

I2S的時鐘由CK_SYS提供。

通過配置RCU_BDCTL寄存器的RTCSRC位， RTC時鐘可以選擇由LXTAL時鐘、IRC40K時鐘或HXTAL時鐘的128分頻提供。RTC時鐘選擇HXTAL時鐘的128分頻做為時鐘源后，當(dāng)1.2V內(nèi)核電壓域掉電時，時鐘將停止。 RTC時鐘選擇IRC40K時鐘做為時鐘源后，當(dāng)VDD掉電時，時鐘將停止。

RTC時鐘選擇LXTAL時鐘做為時鐘源后，當(dāng)VDD和VBAT都掉電時，時鐘將停止。

當(dāng)FWDGT啟動時， FWDGT時鐘被強制選擇由IRC40K時鐘做為時鐘源。

現(xiàn)在，我們結(jié)合圖GD32F303系統(tǒng)時鐘樹對時鐘樹進行分析：

(1) 標(biāo)注A為CK_SYS，即系統(tǒng)主時鐘，它一條線連接至CK_I2S，給I2S外設(shè)提供時鐘，另一條線經(jīng)過AHB分頻器，輸出到CK_AHB，即標(biāo)注B。

(2) CK_AHB為AHB總線時鐘，AHB總線時鐘或直連，或經(jīng)過APB1/APB2分頻，給標(biāo)注C位置的外設(shè)提供時鐘。

(3) 那么，CK_SYS從何而來呢，我們看標(biāo)注A的左邊，CK_SYS通過SCS位域選擇CK_IRC8M、CK_PLL、CK_HXTAL作為時鐘來源，其中CK_IRC8M來源于標(biāo)注D，即IRC8M(MCU內(nèi)部8M RC時鐘)；CK_HXTAL來源于標(biāo)注F，即HXTAL(外部時鐘)；CK_PLL的來源較復(fù)雜，我們單獨拿出來說。

(4) CK_PLL來源于鎖相環(huán)倍頻器輸出，倍頻系數(shù)通過PLLMF位域選擇，而PLLMF來源于兩個地方，一個為 IRC8M 的 2 分 頻 ， 另 外 一 個 為 預(yù) 分 頻 器 PREDV0 ， 而 PREDV0 來 源 于 標(biāo) 注 E， 即CK_IRC48M(內(nèi)部48M RC時鐘)和標(biāo)注F，即HXTAL(外部高速時鐘)。

(5) 通過以上分析可以得出結(jié)論，CK_PLL的時鐘源為D：IRC8M、E：IRC48M、F：HXTAL，用戶通過相關(guān)寄存器設(shè)置選擇時鐘線。

(6) 和前面分析相同，RTC的時鐘來自于F：HXTAL的128分頻、G：LXTAL(外部32.768K低速時鐘)、F：IRC40K(內(nèi)部40K RC時鐘)；FWDGT的時鐘來源于F：IRC40K。

(7) 標(biāo)注I位置為時鐘輸出線，它的作用是將MCU內(nèi)部的一些時鐘信號線輸出到特定IO口上(大部分系列MCU的PA8口都可被設(shè)置為時鐘輸出口0，有些系列MCU含有兩組輸出IO，具體IO配置請參考各系列MCU Datasheet)用來給其他器件提供基準(zhǔn)時鐘。由圖中可看出通過設(shè)置位域CK_OUT0,輸出的時鐘包括CK_PLL、CK_IRC8M、CK_HXTAL、CK_PLL的2分頻。

結(jié)合以上分析，我們來看下GD32F30x固件庫時鐘配置函數(shù)(因篇幅有限，只貼出各分頻和倍頻配置部分)，還是以GD32F303芯片為例，如下圖代碼清單時鐘配置部分代碼所示：

/* 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經(jīng)過預(yù)分頻器PREDV0分頻成4MHz，再通過鎖相環(huán)PLL倍頻30倍到了120MHz。

那么，當(dāng)您選擇其他規(guī)格的外部晶振，比如12MHz，則可以先通過預(yù)分頻器PREDV0分頻成6MHz，再通過鎖相環(huán)PLL倍頻20倍即可，如代碼清單 0-4. 使用12MHz外部晶振配置120M系統(tǒng)時鐘所示。

/* 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;

當(dāng)然，在修改完配置函數(shù)后，別忘了將HXTAL_VALUE值改為12000000。

需要注意的是，在進行時鐘配置時，要嚴(yán)格按照Datasheet中規(guī)定的時鐘范圍進行配置，如GD32F303的 HXTAL的選 擇范 圍是4~32MHz， PLL的輸 入范 圍是 1~25MHz，輸出范圍是16~120Mhz，所以當(dāng)使用32MHz的外部晶振時，不進行預(yù)分頻，而直接倍頻是不被允許的。

1.3.硬件連接說明

本章通過“輸出HXTAL時鐘信號”實驗來熟悉RCU的工作流程。

通過前面內(nèi)容講解可知，本章實驗為“輸出HXTAL時鐘信號”，即通過PA8口將HXTAL輸出，我們使用示波器，將探頭連接到PA8口，從示波器上讀取PA8口波形即可。

1.4.軟件配置說明

本小節(jié)講解RCU_Example例程中RCU的配置說明，主要包括外設(shè)時鐘配置、GPIO引腳配置、主函數(shù)介紹以及運行結(jié)果。

軟件設(shè)計的流程如下：

（1）使能GPIOA時鐘

（2）初始化PA8，將此端口設(shè)置為備用功能模式(AFIO)

（3）通過調(diào)用庫函數(shù)選擇HXTAL作為PA8時鐘信號源

外設(shè)時鐘配置

void rcu_config(void) { /* enable the GPIOA clock */ rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA); }

GPIO 引腳配置

代碼清單 0-6. RCU 例程引腳配置

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的配置說明，請參考GPIO章節(jié)。

主函數(shù)說明

代碼清單 0-7 . RCU 例程主函數(shù)

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){ } }

如代碼清單RCU例程主函數(shù)，該主函數(shù)主要分成四部分，RCU時鐘配置、GPIO配置、RCU輸出相關(guān)庫函數(shù)調(diào)用和while(1)主循環(huán)，其中RCU輸出相關(guān)庫函數(shù)請讀者結(jié)合各系列MCU Datasheet、User Manual進行RCU例程的分析。

注意：因為是輸出HXTAL，所以必須要使能HXTAL，否則PA8將無波形輸出。一個簡單的辦法是將HXTAL作為CK_SYS時鐘源，請參考本章第一節(jié)內(nèi)容。

1.5.運行結(jié)果

如圖所示 RCU 例程運行結(jié)果為 RCU 例程運行結(jié)果，可看出，PA8 口正確輸出了 HXTAL 波形。

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