详解STM32时钟系统

　　STM32为什么要有复杂的时钟系统
　　首先STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟源即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。
　　详解STM32时钟系统
　　下图来自STM32CubeMX工具的时钟配置界面：
　　下图即是标准库默认8M外部时钟，系统时钟72M的配置情况
　　
　　下图来自STM32F1的中文版datasheet的时钟系统章节：
　　STM32的时钟系统确实是很复杂，不仅有倍频，分频，还有一系列的外设时钟开关。倍频是考虑到了电磁兼容性，如果外部直接提供一个72MHz的晶振，太高的震荡频率会给电路板的制作带来一定的难度。分频则是因为STM32既有高速外设，也有低速外设，各外设的工作频率不相同，需要分开来管理。最后，每个外设时钟还有自己独立的开关（在图上可以看到，在外设时钟之前需要经过一个与门，这就是它们的开关）在我们不使用该外设时，需要把时钟关闭以减少STM32的功耗。
　　
　　STM32有几个时钟源
　　STM32有以下4个时钟源（标号对应上图中的蓝色数字标号）：
　　①高速外部时钟（HSE）：以外部晶振作时钟源，晶振频率可取范围为4~16MHz，我们一般采用8MHz的晶振。
　　②低速外部时钟（LSE）：以外部晶振作时钟源，主要提供给实时时钟模块，所以一般采用32.768KHz。
　　③高速内部时钟（HSI）： 由内部RC振荡器产生，频率为8MHz，但不稳定。
　　④低速内部时钟（LSI）：由内部RC振荡器产生，也主要提供给实时时钟模块，频率大约为40KHz。
　　有些资料把PLL也作为一个时钟源，事实上PLL 为锁相环倍频输出，也是由HSI或者HSE倍频得来的，其时钟输入源可选择为 HSI/2、HSE 或者 HSE/2。倍频可选择为2~16 倍，但是其输出频率最大不得超过 72MHz（仅针对STM32F103）
　　时钟在STM32内部最终是供给四大块，图中用红色椭圆圈出——USB的48MHz时钟、系统时钟SYSCLK、实时时钟模块RTC、独立看门狗的时钟IWDGCLK。其中最主要的，也是最大头是系统时钟SYSCLK，它可以是内部或外部高速时钟直接接过来，也可以内、外部高速时钟是PLL倍频后提供的，系统时钟再分别供给Cortex内核、SDIO、AHB总线、DMA、APB1、APB2等。
　　我们通常是采用外部8MHz高速时钟（HSE），所以着重说HSE。我们以前面的GPIO上的时钟为例，由ST的Datasheet可知，GPIO是在APB2高速外设总线上的，图中绿色的线就是时钟的流程，我们一步步地来看。
　　8MHz外部晶体（或晶振）输入后，先经过一个开关PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry），此开关决定对HSE进行2分频再输入到PLL或直接到PLL。我们选择不分频。
　　这样时钟又到了第二个开关PLLSRC（PLL entry clock source），此开关决定PLL的时钟来源，是内部高速时钟二分频的时钟还是PLLXTPRE的输出。我们选择后者，这时的时钟在进入PLL前还是8MHz，因为在PLLXTPRE我们没有分频。
　　到了PLL倍频器，由PLLMUL决定倍频系统数，可以选择2~16倍频输出，但记住，PLL输出频率最高72MHz，所以我们选择9倍频，这样PLL输出就是最高72MHz的PLLCLK时钟了。这时的PLLCLK为USB提供时钟。
　　开关SW来决定SYSCLK的时钟来源，前面已经提到，这里我们由PLLCLK做为SYSCLK的来源，这样系统时钟SYSCLK就是72MHz了。
　　在供给外设前，先经过AHB预分频，我们选择不分频；在供给GPIO前，还要再经过APB2预分频，因为APB2为高速外设，所以我们选择不分频，这样GPIO的时钟就是72MHz了。注意，低速外设APB1最高频率为36MHz，所以在使用APB1的外设时，要注意设置好分频系统。还要注意，要使用外设，先要对外设时钟进行使能，见图中黄色云形框。这是因为STM32采用了低功耗的设计，对不使用的外设，其时钟不使能，以达到降低功耗的效果。
　　USB 的时钟USBCLK（图中红色椭圆标出）是来自 PLL 时钟源。 STM32 中有一个全速功能的 USB 模块，其串行接口引擎需要一个频率为 48MHz 的时钟源。该时钟源只能从 PLL 输出端获取，可以选择为 1.5 分频或者 1 分频，也就是，当需要使用 USB模块时，PLL 必须使能，并且时钟频率配置为 48MHz 或 72MHz。
　　RTC 时钟源RTCCLK（图中红色椭圆标出），从图上可以看出，RTC 的时钟源可以选择 LSI，LSE，以及HSE 的 128 分频。
　　独立看门狗时钟源只能由40KHz的LSI提供。
　　SYSCLK 通过 AHB 分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括：
　　①AHB 总线、内核、内存和 DMA 使用的 HCLK 时钟。
　　②通过 8 分频后送给 Cortex 的系统定时器时钟，也就是 systick 了。
　　③直接送给 Cortex 的空闲运行时钟 FCLK。
　　④送给 APB1 分频器。APB1 分频器输出一路供 APB1 外设使用（PCLK1，最大频率 36MHz），另一路送给定时器（Timer）2、3、4 倍频器使用。
　　⑤送给 APB2 分频器。APB2 分频器分频输出一路供 APB2 外设使用（PCLK2，最大频率 72MHz），另一路送给定时器（Timer）1 倍频器使用。
　　其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的区别，APB1 上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3 等等，APB2 上面连接的是高速外设包括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、所有普通 IO 口（PA~PE）、第二功能 IO 口等。
　　关于时钟输出
　　MCO 是 microcontroller clock output 的缩写，是微控制器时钟输出引脚，在 STM32 F1系列中 由 PA8 复用所得，主要作用是可以对外提供时钟，相当于一个有源晶振。 如图左下角的咖啡色方框里面，MCO 的时钟来源可以是： PLLCLK/2、 HSI、 HSE、 SYSCLK，具体选哪个由时钟配置寄存器CFGR 的位 26-24： MCO［2:0］决定。 除了对外提供时钟这个作用之外， 我们还可以通过示波器监控 MCO 引脚的时钟输出来验证我们的系统时钟配置是否正确。
　　软件配置时钟
　　暂时只针对F1标准库
　　在stm32的启动文件startup_stm32f10x_hd.s中，会发现有这么一块用汇编写的代码。
　　Reset_Handler PROC
　　EXPORT Reset_Handler ［WEAK］
　　IMPORT __main
　　IMPORT SystemInit
　　LDR R0， =SystemInit
　　BLX R0
　　LDR R0， =__main
　　BX R0
　　ENDP
　　从这里我们可以看到，我们的程序在进入到main函数之前，先要执行systeminit，跳转到这个函数的定义。里面的代码是对寄存器直接进行操作，原因是尽可能提高执行效率，以便尽快使MCU进入正常工作所需的时钟。
　　下面给出简化了的SystemInit 函数源码，假定预定义了STM32F10X_HD
　　void SystemInit （void）
　　{
　　/* Reset the RCC clock configuration to the default reset state（for debug purpose） */
　　/* Set HSION bit */
　　RCC-》CR |= （uint32_t）0x00000001;
　　/* Reset SW， HPRE， PPRE1， PPRE2， ADCPRE and MCO bits */
　　RCC-》CFGR &= （uint32_t）0xF8FF0000;
　　/* Reset HSEON， CSSON and PLLON bits */
　　RCC-》CR &= （uint32_t）0xFEF6FFFF;
　　/* Reset HSEBYP bit */
　　RCC-》CR &= （uint32_t）0xFFFBFFFF;
　　/* Reset PLLSRC， PLLXTPRE， PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */
　　RCC-》CFGR &= （uint32_t）0xFF80FFFF;
　　/* Disable all interrupts and clear pending bits */
　　RCC-》CIR = 0x009F0000;
　　/* Configure the System clock frequency， HCLK， PCLK2 and PCLK1 prescalers */
　　/* Configure the Flash Latency cycles and enable prefetch buffer */
　　SetSysClock（）;
　　#ifdef VECT_TAB_SRAM
　　SCB-》VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
　　#else
　　SCB-》VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
　　#endif
　　}
　　这里我们主要关注SetSysClock函数，这里配置了系统时钟
　　static void SetSysClock（void）
　　{
　　#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
　　SetSysClockToHSE（）;
　　#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz
　　SetSysClockTo24（）;
　　#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
　　SetSysClockTo36（）;
　　#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
　　SetSysClockTo48（）;
　　#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
　　SetSysClockTo56（）;
　　#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
　　SetSysClockTo72（）;
　　#endif
　　/* If none of the define above is enabled， the HSI is used as System clock
　　source （default after reset） */
　　}
　　正常情况下，通常我们都是需要配置成72MHz运行
　　static void SetSysClockTo72（void）
　　{
　　__IO uint32_t StartUpCounter = 0， HSEStatus = 0;
　　// ① 使能 HSE，并等待 HSE 稳定
　　RCC-》CR |= （（uint32_t）RCC_CR_HSEON）;
　　// 等待 HSE 启动稳定，并做超时处理
　　do {
　　HSEStatus = RCC-》CR & RCC_CR_HSERDY;
　　StartUpCounter++;
　　} while （（HSEStatus == 0） &&（StartUpCounter ！=HSE_STARTUP_TIMEOUT））;
　　if （（RCC-》CR & RCC_CR_HSERDY） ！= RESET） {
　　HSEStatus = （uint32_t）0x01;
　　} else {
　　HSEStatus = （uint32_t）0x00;
　　}
　　// HSE 启动成功，则继续往下处理
　　if （HSEStatus == （uint32_t）0x01） {
　　//-----------------------------------------------------------
　　// 使能 FLASH 预存取缓冲区 */
　　FLASH-》ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
　　// 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-》ACR &= （uint32_t）（（uint32_t）~FLASH_ACR_LATENCY）;
　　FLASH-》ACR |= （uint32_t）FLASH_ACR_LATENCY_2;
　　//------------------------------------------------------------
　　// ② 设置 AHB、 APB2、 APB1 预分频因子
　　// HCLK = SYSCLK
　　RCC-》CFGR |= （uint32_t）RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
　　//PCLK2 = HCLK
　　RCC-》CFGR |= （uint32_t）RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
　　//PCLK1 = HCLK/2
　　RCC-》CFGR |= （uint32_t）RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;
　　//③ 设置 PLL 时钟来源，设置 PLL 倍频因子， PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz
　　RCC-》CFGR &= （uint32_t）（（uint32_t）
　　~（RCC_CFGR_PLLSRC
　　| RCC_CFGR_PLLXTPRE
　　| RCC_CFGR_PLLMULL））;
　　RCC-》CFGR |= （uint32_t）（RCC_CFGR_PLLSRC_HSE
　　| RCC_CFGR_PLLMULL9）;
　　// ④ 使能 PLL
　　RCC-》CR |= RCC_CR_PLLON;
　　// ⑤ 等待 PLL 稳定
　　while （（RCC-》CR & RCC_CR_PLLRDY） == 0） {
　　}
　　// ⑥ 选择 PLL 作为系统时钟来源
　　RCC-》CFGR &= （uint32_t）（（uint32_t）~（RCC_CFGR_SW））;
　　RCC-》CFGR |= （uint32_t）RCC_CFGR_SW_PLL;
　　// ⑦ 读取时钟切换状态位，确保 PLLCLK 被选为系统时钟
　　while （（RCC-》CFGR&（uint32_t）RCC_CFGR_SWS） ！= （uint32_t）0x08）{
　　}
　　} else {// 如果 HSE 启动失败，用户可以在这里添加错误代码出来
　　}
　　}
　　SystemInit（）函数运行完成后的状态：（注意以上程序默认是8M外部晶振的情况）
　　SYSCLK（系统时钟）=72MHz
　　AHB 总线时钟（使用 SYSCLK） =72MHz
　　APB1 总线时钟（PCLK1） =36MHz
　　APB2 总线时钟（PCLK2） =72MHz
　　PLL 时钟 =72MHz
　　初始化之后可以通过变量SystemCoreClock获取系统变量。如果 SYSCLK=72MHz，那么变量SystemCoreClock=72000000。