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如何将25M晶振时钟转换为120M系统主频时钟

时钟系统有哪些关键组成部分?
STM32F207的时钟系统如何将25M晶振时钟转换为120M系统主频时钟的?

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王君凯

2021-9-26 15:13:56
  1、时钟系统介绍
  
  ▲时钟系统专业名词缩写
  时钟系统关键组成部分
  01 内部高速时钟(HSI)
  HSI时钟信号可以通过内部16MHZ的RC振荡器产生,可以直接用于系统时钟或者用于PLL输入。
  HSI的RC振荡器的优势是:在最小成本(没有外部器件)情况下提供一个时钟源。它的启动速度要比HSE晶体振荡器更快,但是即使校准频率后,它的精度仍然小于外部晶体振荡器或陶瓷谐振器。
  02 外部高速时钟(HSE)
  外部高速时钟信息(HSE)可以通过两个时钟源产生:
  ① 外部晶体/陶瓷谐振器
  ② 外部用户时钟
  
  ▲两种时钟源接入示意图
  03 主锁相环时钟(PLL)
  STM32F2xx具有两个PLL
  ① 主要的PLL通过HSE或HSI提供时钟,并且有两个输出时钟;
  ② 专用的PLL(PLLI2S)被用于产生一个精确的时钟去实现高质量音频效果在I2S接口;
  
  HSE/M*N/P得到PLL时钟
  关于PLL锁相环说明
  
  从1处输入,3处输出是1的N倍。
  3处除以N又作为输入,当1和2的频率一样,就锁定了。(之所以图上是xN,因为从2看向3的)
  04 低速外部时钟(LSE)
  LSE是一个32.768KHZ低速外部晶振或陶瓷谐振器。
  它的优点:提供低速但是高精度时钟给RTC外设,为时钟/日历或其他时间应用。
  05低速内部时钟(LSI)
  LSI RC作为一个低速时钟源,它可以运行在停止和待机模式中给独立看门狗(IWDG)和自动唤醒(AWU)。它的时钟频率在32MHZ左右。
  2、代码分析
  时钟初始化代码在system_stm32f2xx.c文件中,大部分时候我们不需要修改时钟代码的,各个总线的频率我们可以在文件头看到。
  =============================================================================
  *=============================================================================
  * Supported STM32F2xx device revision | Rev B and Y
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * System Clock source | PLL (HSE)
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * SYSCLK(Hz) | 120000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * HCLK(Hz) | 120000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * AHB Prescaler | 1
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * APB1 Prescaler | 4
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * APB2 Prescaler | 2
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * HSE Frequency(Hz) | 25000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLL_M | 25
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLL_N | 240
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLL_P | 2
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLL_Q | 5
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLLI2S_N | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * PLLI2S_R | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * I2S input clock | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * VDD(V) | 3.3
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * Flash Latency(WS) | 3
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * Prefetch Buffer | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * Instruction cache | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * Data cache | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  * Require 48MHz for USB OTG FS, | Enabled
  * SDIO and RNG clock |
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *=============================================================================
  ******************************************************************************
  在文件开始定义的有系统时钟频率的全局变量SystemCoreClock,其他地方需要时钟频率,可以直接使用该变量。 uint32_t SystemCoreClock = 120000000; 时钟配置从SystemInit函数执行,调用SystemInit的在汇编文件中startup_stm32f2xx.s(Keil编译环境)。
  IMPORT __main LDR R0, =SystemInit BLX R0 LDR R0, =__main BX R0 ENDP 在这里说明一下文档版本的问题:
  
  ▲STM32F20X_User_manual的V7版和V8版对比图
  上述两图的区别是系统最大时钟从120MHZ变成了168MHZ,我的理解是同样是STM32F20X,ST由于技术进步或其他,使得新版STM32F207芯片超频支持168MHZ。
  下面我们主要分析SystemCoreClock的120M时钟怎么从一个外部25MHZ的HSE得到的。
  
  我们要从25MHZ的外部时钟得到120M的系统时钟,需要上图中标注的重要4点:
  1、使能HSE
  2、选择HSE作为主PLL的输入时钟
  3、主PLL倍频后得到120MHZ时钟
  4、系统时钟选择主PLL时钟输出作为系统时钟
  我们找到对应的代码
  1、使能HSE
  /* Enable HSE */RCC-》CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); 在RCC_CR寄存器(RCCclock control register RCC时钟控制器)中,有打开HSE的控制位
  
  2、选择HSE作为主PLL的输入时钟
  /* Configure the main PLL */RCC-》PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N 《《 6) | (((PLL_P 》》 1) -1) 《《 16) | (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q 《《 24); RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE就是配置HSE作为主PLL的输入时钟
  3、主PLL倍频后得到120MHZ时钟
  /* Configure the main PLL */RCC-》PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N 《《 6) | (((PLL_P 》》 1) -1) 《《 16) | (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q 《《 24); 4、配置主PLL作为系统时钟的输入时钟
  /* Select the main PLL as system clock source */RCC-》CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC-》CFGR |= RCC_CFGR_SW_PL 对于主PLL的配置寄存器,在RCC_PLLCFGR寄存器中有说明
  
  整理后得知f(out)=f(in)* N / M / P
  /* PLL_VCO = (HSE_VALUE or HSI_VALUE / PLL_M) * PLL_N */#define PLL_M 25#define PLL_N 240/* SYSCLK = PLL_VCO / PLL_P */#define PLL_P 2 这样就获得了120M时钟
  注意:
  
  PLL_M大于等于2且小于等于63
  
  PLL_N大于等于64且小于等于432
  
  PLL_P只能是2、4、6、或8
  但2对应0,4对应1,6对应2,8对应3。
  ST并没有使用if或case语句判断,因为对应的数据除以2减去1就是寄存器这两位的值,所以可以按照下面这样写,这种写法值得我们学习。
  (((PLL_P 》》 1) -1) 《《 16) 其他外设的时钟配置时
  /* HCLK = SYSCLK / 1*/RCC-》CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK2 = HCLK / 2*/RCC-》CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;/* PCLK1 = HCLK / 4*/RCC-》CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4; 03、备 注
  时钟中断
  
  可以配置外部晶振出错时的中断,还有RCC中断,因此我们可以在外部时钟出问题时,切换为内部时钟,不至于整个系统挂掉。具体见ST给的官方代码。
  无源晶振不起振
  没有程序,无源晶振是不起振的,需要配置RCC时钟控制寄存器的HSEON位打开或关闭HSE振荡器。具体可以看之前的文章《晶振原理解析》。
  关于APB和PCLK
  F207是时钟图没有显示PCLK1和PCLK2,应该就是APB1和APB2
  应该指的是一个PCLK应该是PeripheralClock的简称,看F105手册
  
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