学习STM32H7的必备知识点是什么

本章教程继续为大家讲解学习STM32H7的必备知识点电源，复位和时钟系统。掌握这三方面的知识点对后面的学习大有裨益。

14.1 初学者重要提示

1、  电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。
2、  电源管理部分最繁琐的就是CPU，D1，D2，D3域的各种运行，待机，停机状态切换，这部分知识点也放在后面低功耗章节学习。
14.2 电源

电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。
14.2.1 电源供电

学习STM32H7的电源供电，往往被一堆电源标识Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，这些标识整明白了，电源供电部分也就理解了，首先看下面的框图：





这些常用标识的解释如下：





对于电源供电部分了解了这些知识点就够用。
14.2.2 系统上电启动

系统上电到程序开始运行期间，H7都做哪些工作，一张时序图可以说明问题：





对于上面的截图，主要看Operating mode部分，依次是Power down –> Reset -> Wait Oscillator ->HW system init -> Run -> Wait ACTVOS RDY –> Run，即断电状态 -> 复位状态 -> 等待HSI就绪->硬件初始化 -> 运行 -> 等ACTVOS位就绪 -> 正式运行。
详细些的执行流程如下：

•   当系统上电后，POR（Power on reset 上电复位）会检测VDD供电，当VDD大于POR设置的阀值时，将使能电压稳压器，注意看VDD那条线的变化。
  
•   看VCORE那条曲线，只要VOSRDY未就绪，就会一直处于复位状态。
  
•   一旦VCORE正常输出，系统将走出复位状态，内部高速RC振荡器HSI将使能。
  
•   HSI稳定后，将开始系统初始化，主要是Flash和可选字节的加载，这些都是由硬件完成的，CPU也将以受限的方式运行（主要是指不允许对RAM进行写操作）。
  
•   软件程序初始化系统，包括供电配置。当供电配置完成后，等待ACTVOSRDY位置1，完成置1后，CPU就进入正常的运行的模式，允许读写RAM了。
  
  

14.2.3 电源管理

关于电源管理部分，H7参考手册中讲解的还挺复杂的，当前阶段我们仅需了解几个重要的工作状态即可，看到这几个单词了要认识，因为官方文档中多处要用这几个标识。
为了实现各种低功耗模式，CPU和D1，D2，D3域支持的各种模式如下：

•   CPU模式
  
  

CRun：运行状态，CPU和CPU子系统外设正常运行。
CSleep：休眠状态，CPU时钟停止运行，CPU子系统外设正常运行。
CStop：停止状态，CPU和CPU子系统外设都停止运行。

•   D1域模式
  
  

DRun：运行状态，D1域的总线矩阵正常运行，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。
DStop：停机状态，D1域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。
DStandby：待机状态，D1域的总线矩阵断电，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

•   D2域模式
  
  

DRun：运行状态，D2域的总线矩阵正常运行，CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。
DStop：停机状态，D2域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStop模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。
DStandby：待机状态，D2域的总线矩阵断电，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStandby模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

•   系统/D3域模式
  
  

Run：运行状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于运行状态。CPU子系统处于CRun和CSleep模式，或者一个唤醒信号处于激活状态。
Stop：停止状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于停止状态，CPU子系统处于CStop模式。所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且至少某个域的一个PDDS_Dn位选择了Stop模式。
Standby：待机状态，系统处于断电状态，CPU子系统处于CStop模式，所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且所有域的所有PDDS_Dn位选择Standby模式。
14.2.4 电源去耦电容的选择

每个电源对 （VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。





14.3 硬件复位

所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟电路驱动的。这种电路被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。
所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。
当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。
如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。
14.3.1 上电复位和手动复位

STM32H7开发板的硬件复位原理图如下：

•   STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态。
  
•   R173单的RC复位电路。当系统上电瞬间，C114电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过R173给C114充电，当C114的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
  
•   在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
  
•   当按下S4轻触开关时，C114两端被短路接地，可实现手动复位CPU。
  
  

注，根据需要，大家也可以使用STM32H7 NRST引脚的内部上拉：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=93144
14.3.2 复位序列

前面第11章的13.3.1小节讲解了复位系列的相关知识，再结合本章节的上电复位和下电复位，大家会对其有一个较全面的认识，更多复位序列的知识直接看13.3.1小节即可。
14.4 软件复位

除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm7.h文件提供，函数如下：

/**
  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();
  }
}
软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：





14.5 RCC时钟控制

STM32H7有如下六种时钟可供使用：

•   HSI (High-speed internal oscillator) ：
  
  

HSI是内部的高速RC振荡器，频率64MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。

•   HSE (High-speed external oscillator):
  
  

HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-48MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。

•   LSE (Low-speed external oscillator)
  
  

LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。

•   LSI (Low-speed internal oscillator)
  
  

LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。

•   CSI (Low-power internal oscillator)
  
  

CSI是内部的低速振荡器，频率约是4MHz，相比64MHz的HSI，主要用于低功耗。

•   HSI48 (High-speed 48 MHz internal oscillator)
  
  

HSI48是内部高速振荡器，频率约是48MHz，用于给特定的外设提供时钟，比如USB。
通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：





14.5.1 HSE和LSE硬件设计

•   HSE时钟
  
  

当前V7开发板是用的25MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：





晶振和负载电容需要尽可能近地靠近H7的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。
对于C15和C17，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C15和C17通常具有相同的值。
这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：当前V7板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到48MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：





而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-50MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：

•   LSE时钟
  
  

当前V7开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：





STM32的LSE晶振起振难（又称RTC起振）是老毛病了，选取晶振和配套电容比较讲究，最好按照ST提供的厂家和配套电容选取：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87673 。

14.5.2 时钟配置
STM32H7开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到400MHz的主频。


  第1步：在stm32h7xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE
配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。


#if !defined (HSE_VALUE)
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */
  第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32h743xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数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系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：


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 |= RCC_CR_HSION;
17.       
18.          /* Reset CFGR register */
19.          RCC->CFGR = 0x00000000;
20.       
21.          /* Reset HSEON, CSSON , CSION,RC48ON, CSIKERON PLL1ON, PLL2ON and PLL3ON bits */
22.          RCC->CR &= (uint32_t)0xEAF6ED7F;
23.       
24.          /* Reset D1CFGR register */
25.          RCC->D1CFGR = 0x00000000;
26.       
27.          /* Reset D2CFGR register */
28.          RCC->D2CFGR = 0x00000000;
29.       
30.          /* Reset D3CFGR register */
31.          RCC->D3CFGR = 0x00000000;
32.       
33.          /* Reset PLLCKSELR register */
34.          RCC->PLLCKSELR = 0x00000000;
35.       
36.          /* Reset PLLCFGR register */
37.          RCC->PLLCFGR = 0x00000000;
38.          /* Reset PLL1DIVR register */
39.          RCC->PLL1DIVR = 0x00000000;
40.          /* Reset PLL1FRACR register */
41.          RCC->PLL1FRACR = 0x00000000;
42.       
43.          /* Reset PLL2DIVR register */
44.          RCC->PLL2DIVR = 0x00000000;
45.       
46.          /* Reset PLL2FRACR register */
47.       
48.          RCC->PLL2FRACR = 0x00000000;
49.          /* Reset PLL3DIVR register */
50.          RCC->PLL3DIVR = 0x00000000;
51.       
52.          /* Reset PLL3FRACR register */
53.          RCC->PLL3FRACR = 0x00000000;
54.       
55.          /* Reset HSEBYP bit */
56.          RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
57.       
58.          /* Disable all interrupts */
59.          RCC->CIER = 0x00000000;
60.       
61.          /* Change  the switch matrix read issuing capability to 1 for the AXI SRAM target (Target 7) */
62.          *((__IO uint32_t*)0x51008108) = 0x00000001;
63.       
64.        #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
65.          SystemInit_ExtMemCtl();
66.        #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
67.       
68.          /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
69.        #ifdef VECT_TAB_SRAM
70.          SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE  | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal ITCMSRAM */
71.        #else
72.          SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
73.        #endif
74.       
75.        }

•   第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到400MHz。
  
  

14.6 总结

本章节就为大家讲解这么多，本章节的知识点相对比较多，比较杂，不容易一下子都掌握了。随着后面章节的进行，还会深入的讲解这些知识点。