STM32系统时钟的配置流程是怎样的？

前言

  由于个人博客被攻击，现逐渐将博客内容搬运至CSDN，本文原写于2020年4月。
  时钟笔记

  本文为stm32时钟和中断笔记
时钟树
可以通过时钟树来大致了解配置时钟的流程，可以更加清晰了解各个时钟之间的关系

  

  

  名词解释

  HSE：HSE 高速外部时钟信号。HSE 是高速的外部时钟信号，可以由有源晶振或者无源晶振提供，频率从 4-16MHZ不等。当使用有源晶振时，时钟从 OSC_IN 引脚进入， OSC_OUT 引脚悬空。当选用无源晶振时，时钟从 OSC_IN 和OSC_OUT 进入，并且要配谐振电容。HSE 最常使用的就是 8M 的无源晶振。当确定 PLL 时钟来源的时候， HSE 可以不分频或者 2 分频，这个由时钟配置寄存器 CFGR 的位 17：PLLXTPRE 设置。
  PLL 时钟源：PLL 时钟来源可以有两个，一个来自 HSE，另外一个是 HSI/2，具体用哪个由时钟配置寄存器 CFGR 的位 16： PLLSRC 设置。 HSI 是内部高速的时钟信号，频率为 8M，根据温度和环境的情况频率会有漂移，一般不作为 PLL 的时钟来源。
  PLL时钟PLLCLK：通过设置 PLL 的倍频因子，可以对 PLL 的时钟来源进行倍频，倍频因子可以是:[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]，具体设置成多少， 由时钟配置寄存器 CFGR 的位21-18： PLLMUL[3:0]设置。
(注释：72M是st官方推荐稳定运行时钟)
  系统时钟SYSCLK：从时钟树上可以看出系统时钟来源可以是： HSI、 PLLCLK、 HSE，具体的时钟配置寄存器 CFGR 的位 1-0：SW[1:0]设置。
  AHB 总线时钟 HCLK：系统时钟 SYSCLK 经过 AHB 预分频器分频之后得到时钟叫 APB 总线时钟，即 HCLK，分频因子可以是:[1,2,4，8，16，64，128，256，512]，具体的由时钟配置寄存器 CFGR的位 7-4 ： HPRE[3:0]设置。片上大部分外设的时钟都是经过 HCLK 分频得到，至于 AHB总线上的外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置。
  APB2 总线时钟 HCLK2：APB2 总线时钟 PCLK2 由 HCLK 经过高速 APB2 预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，具体由时钟配置寄存器 CFGR 的位 13-11： PPRE2[2:0]决定。 HCLK2 属于高速的总线时钟，片上高速的外设就挂载到这条总线上，比如全部的 GPIO、 USART1、SPI1 等。
APB1 总线时钟 HCLK1：APB1 总线时钟 PCLK1 由 HCLK 经过低速 APB 预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，具体的由时钟配置寄存器 CFGR 的位 10-8： PRRE1[2:0]决定。HCLK1 属于低速的总线时钟，最高为36M，片上低速的外设就挂载到这条总线上，比如USART2/3/4/5、SPI2/3， I2C1/2 等。
  其他时钟先概不论述。
  补充知识：

  从时钟频率来说，又分为高速时钟和低速时钟，高速时钟是提供给芯片主体的主时钟，而低速时钟只是提供给芯片中的RTC（实时时钟）及独立看门狗使用。
  从芯片角度来说，时钟源分为内部时钟与外部时钟源 ，内部时钟是在芯片内部RC振荡器产生的，起振较快，所以时钟在芯片刚上电的时候，默认使用内部高速时钟。而外部时钟信号是由外部的晶振输入的，在精度和稳定性上都有很大优势，所以上电之后我们再通过软件配置，转而采用外部时钟信号。
  stm32f103在刚开始都是很默认时钟为72M，在启动文件中startup_stm32f10x_hd.s里，规定了程序在进入到main函数之前，先要执行systeminit函数，该函数是通过操作时钟控制寄存器与时钟配置寄存器来实现初始化。详情看下图翻译说明
  
  

  

    这里只讨论如图路线（常用路线）：
  
  

  

    配置HSE时钟步骤

  

• 使用HSE时，设置系统时钟的步骤：开启HSE ，并等待 HSE 稳定
  
• 设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子
  
• 设置PLL的时钟来源，和PLL的倍频因子，设置各种频率主要就是在这里设置
  
• 开启PLL，并等待PLL稳定
  
• 把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK
  
• 读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟
  
  

  （注释：对于 SYSCLK、 HCLK、 PCLK2、 PCLK1 这四个时钟的配置一般是： PCLK2 =HCLK = SYSCLK=PLLCLK = 72M， PCLK1=HCLK/2 = 36M。 这个时钟配置也是库函数的标准配置。）
  
启用使用HSE时钟


void HSE_SetSysClock(uint32_t pllmul)
{
__IO uint32_t  HSEStartUpStatus = 0;


// 把RCC外设初始化成复位状态，这句是必须的，该命令在固件库rcc.c文件中。
RCC_DeInit();


//使能HSE，开启外部晶振，该开发板用的是8M，命令在固件库rcc.c/277行。
RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);


// 等待 HSE 启动稳定
HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();//rcc.c/304行，成功后RCC_WaitForHSEStartUp()会传入参数SUCCESS。


// 只有 HSE 稳定之后则继续往下执行
if (HSEStartUpStatus == SUCCESS)
{
//----------------------------------------------------------------------//
// 使能FLASH 预存取缓冲区
FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);


FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
//----------------------------------------------------------------------//


// AHB预分频因子设置为1分频，HCLK = SYSCLK
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); //rcc.c /605


// APB2预分频因子设置为1分频，PCLK2 = HCLK
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);


// APB1预分频因子设置为1分频，PCLK1 = HCLK/2
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);


//-----------------设置各种频率主要就是在这里设置-------------------//
// 设置PLL时钟来源为HSE，设置PLL倍频因子
// PLLCLK = 8MHz * pllmul
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, pllmul);
//------------------------------------------------------------------//


// 开启PLL
RCC_PLLCmd(ENABLE);


// 等待 PLL稳定
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)
{
}


// 当PLL稳定之后，把PLL时钟切换为系统时钟SYSCLK
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);


// 读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟
while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)
{
}
}
else
{ // 如果HSE开启失败，那么程序就会来到这里，用户可在这里添加出错的代码处理
// 当HSE开启失败或者故障的时候，单片机会自动把HSI设置为系统时钟，
// HSI是内部的高速时钟，8MHZ
while (1)


问题：


为什么使能FLASH 预存取缓冲区？
使能FLASH指令缓冲器，用于当CPU主频提升后缓存多条指令已避免CPU等待FLASH传数据导致的时间浪费


“预取缓冲区(2个64位)：在每一次复位以后被自动打开，由于每个缓冲区的大小(64位)与闪存的带宽相同，因此只通过需一次读闪存的操作即可更新整个缓冲区的内容。由于预取缓冲区的存在，CPU可以工作在更高的主频。CPU每次取指最多为32位的字，取一条指令时，下一条指令已经在缓冲区中等待。”具体寄存器配置参见：PM0075:STM32F10xxx Flash memory microcontrollers(Flash编程手册)


形参 pllmul?
pllmul 用来设置 PLL 的倍频因子，在调用的时候形参可以是： RCC_PLLMul_x , x:[2,3,…16]，这些宏来源于库函数的定义，宏展开是一些 32 位的十六进制数，具体功能是配置了时钟配置寄存器 CFGR 的位 21-18PLLMUL[3:0]，预先定义好倍频因子，方便调用。


配置HSI时钟步骤
使用HSI时，设置系统时钟的步骤：开启HSI ，并等待 HSI 稳定
设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子
设置PLL的时钟来源，和PLL的倍频因子，设置各种频率主要就是在这里设置
开启PLL，并等待PLL稳定
把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK
读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟
(注释：HSI作为时钟来源，经过PLL倍频作为系统时钟，这是在HSE故障的时候才使用的方法，HSI会因为温度等原因会有漂移，不稳定，一般不会用HSI作为时钟来源，除非是迫不得已的情况。)




"代码"










void HSI_SetSysClock(uint32_t pllmul)
{
__IO uint32_t HSIStartUpStatus = 0;


// 把RCC外设初始化成复位状态，这句是必须的
RCC_DeInit();


//使能HSI
RCC_HSICmd(ENABLE);


// 等待 HSI 就绪
HSIStartUpStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSIRDY;


// 只有 HSI就绪之后则继续往下执行
if (HSIStartUpStatus == RCC_CR_HSIRDY)
{
//----------------------------------------------------------------------//
// 使能FLASH 预存取缓冲区
FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);


// SYSCLK周期与闪存访问时间的比例设置，这里统一设置成2
// 设置成2的时候，SYSCLK低于48M也可以工作，如果设置成0或者1的时候，
// 如果配置的SYSCLK超出了范围的话，则会进入硬件错误，程序就死了
// 0：0 < SYSCLK <= 24M
// 1：24< SYSCLK <= 48M
// 2：48< SYSCLK <= 72M
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);
//----------------------------------------------------------------------//


// AHB预分频因子设置为1分频，HCLK = SYSCLK
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);


// APB2预分频因子设置为1分频，PCLK2 = HCLK
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);


// APB1预分频因子设置为1分频，PCLK1 = HCLK/2
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);


//-----------------设置各种频率主要就是在这里设置-------------------//
// 设置PLL时钟来源为HSE，设置PLL倍频因子
// PLLCLK = 4MHz * pllmul
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, pllmul);
//------------------------------------------------------------------//


// 开启PLL
RCC_PLLCmd(ENABLE);


// 等待 PLL稳定
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)
{
}


// 当PLL稳定之后，把PLL时钟切换为系统时钟SYSCLK
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);


// 读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟
while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)
{
}
}
else
{ // 如果HSI开启失败，那么程序就会来到这里，用户可在这里添加出错的代码处理
// 当HSE开启失败或者故障的时候，单片机会自动把HSI设置为系统时钟，
// HSI是内部的高速时钟，8MHZ
while (1)
{
}
}
}