14. RCC—使用HSE/HSI配置时钟

本章参考资料:《STM32F10X-中文参考手册》RCC章节。

学习本章时,配合《STM32F10X-中文参考手册》RCC章节一起阅读,效果会更佳,特别是涉及到寄存器说明的部分。

RCC :reset clock control  复位和时钟控制器。本章我们主要讲解时钟部分,特别是要着重理解时钟树,理解了时钟树,STM32的一切时钟的来龙去脉都会了如指掌。

14.1. RCC主要作用—时钟部分

设置系统时钟SYSCLK、设置AHB分频因子(决定HCLK等于多少)、设置APB2分频因子(决定PCLK2等于多少)、设置APB1分频因子(决定PCLK1等于多少)、设置各个外设的分频因子;控制AHB、APB2和APB1这三条总线时钟的开启、控制每个外设的时钟的开启。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,我们用的最多的就是这个。

14.2. RCC框图剖析—时钟部分

时钟树单纯讲理论的话会比较枯燥,如果选取一条主线,并辅以代码,先主后次讲解的话会很容易,而且记忆还更深刻。我们这里选取库函数时钟系统时钟函数: SetSysClockTo72(); 以这个函数的编写流程来讲解时钟树,这个函数也是我们用库的时候默认的系统时钟设置函数。该函数的功能是利用HSE把时钟设置为: PCLK2 = HCLK = SYSCLK = 72M,PCLK1=HCLK/2 = 36M。 下面我们就以这个代码的流程为主线,来分析时钟树,对应的是图中的黄色部分,代码流程在时钟树中以数字的大小顺序标识。

图 15‑1 STM32时钟树

14.2.1. 系统时钟

14.2.1.1. ①HSE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,我们设置为HSE不分频。

14.2.1.2. ②PLL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。这里我们选HSE作为PLL的时钟来源。

14.2.1.3. ③PLL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。我们这里设置为9倍频,因为上一步我们设置PLL的时钟来源为HSE=8M,所以经过PLL倍频之后的PLL时钟:PLLCLK = 8M *9 = 72M。72M是ST官方推荐的稳定运行时钟,如果你想超频的话,增大倍频因子即可,最高为128M。 我们这里设置PLL时钟:PLLCLK = 8M *9 = 72M。

14.2.1.4. ④系统时钟SYSCLK

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。我们这里设置系统时钟:SYSCLK = PLLCLK = 72M。

14.2.1.5. ⑤AHB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,我们这里只需粗线条的设置好APB的时钟即可。我们这里设置为1分频,即HCLK=SYSCLK=72M。

14.2.1.6. ⑥APB2总线时钟PCLK2

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。至于APB2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,我们这里只需粗线条的设置好APB2的时钟即可。我们这里设置为1分频,即PCLK2 = HCLK = 72M。

14.2.1.7. ⑦APB1总线时钟PCLK1

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。 PCLK1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。至于APB1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,我们这里只需粗线条的设置好APB1的时钟即可。 我们这里设置为2分频,即PCLK1 = HCLK/2 = 36M。

14.2.1.8. 设置系统时钟库函数

上面的7个步骤对应的设置系统时钟库函数如下,该函数截取自固件库文件system_stm32f103xe.c。为了方便阅读,我已把互联型相关的代码删掉,把英文注释翻译成了中文,并把代码标上了序号,总共七个步骤。该函数是直接操作寄存器的,有关寄存器部分请参考数据手册的RCC的寄存器描述部分。

代码 15‑1 设置系统时钟库函数
 void HSE_SetSysClock(void)
 {
     RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
     RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};

     /* Enable HSE Oscillator and activate PLL with HSE as source */
     oscinitstruct.OscillatorType  = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
     oscinitstruct.HSEState        = RCC_HSE_ON;
     oscinitstruct.HSEPredivValue  = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
     oscinitstruct.PLL.PLLState    = RCC_PLL_ON;
     oscinitstruct.PLL.PLLSource   = RCC_PLLSOURCE_HSE;
     oscinitstruct.PLL.PLLMUL      = RCC_PLL_MUL9;
     if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK) {
         /* Initialization Error */
         while (1);
     }

     /* Select PLL as system clock source and configure the HCLK, PCLK1
     and PCLK2 clocks dividers */
     clkinitstruct.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
                             RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
                             | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
     clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
     clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
     if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
         {
         /* Initialization Error */
         while (1);
     }
 }

 void HSI_SetSysClock(void)
 {
     RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
     RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};

     /* Enable HSE Oscillator and activate PLL with HSE as source */
     oscinitstruct.OscillatorType  = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
     oscinitstruct.HSEState        = RCC_HSE_ON;
     oscinitstruct.HSEPredivValue  = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
     oscinitstruct.PLL.PLLState    = RCC_PLL_ON;
     oscinitstruct.PLL.PLLSource   = RCC_PLLSOURCE_HSE;
     oscinitstruct.PLL.PLLMUL      = RCC_PLL_MUL9;
     if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK) {
         /* Initialization Error */
         while (1);
     }

     /* Select PLL as system clock source and configure the HCLK, PCLK1
     and PCLK2 clocks dividers */
     clkinitstruct.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
                             RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
                             | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
     clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
     clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
     if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
         {
         /* Initialization Error */
         while (1);
     }
 }

14.2.2. 其他时钟

通过对系统时钟设置的讲解,整个时钟树我们已经把握的有六七成,剩下的时钟部分我们讲解几个重要的。

14.2.2.1. A、USB时钟

USB时钟是由PLLCLK经过USB预分频器得到,分频因子可以是:[1,1.5],具体的由时钟配置寄存器CFGR的位22:USBPRE配置。USB的时钟最高是48M,根据分频因子反推过来算,PLLCLK只能是48M或者是72M。一般我们设置PLLCLK=72M,USBCLK=48M。USB对时钟要求比较高,所以PLLCLK只能是由HSE倍频得到,不能使用HSI倍频。

14.2.2.2. B、Cortex系统时钟

Cortex系统时钟由HCLK 8分频得到,等于9M,Cortex系统时钟用来驱动内核的系统定时器SysTick,SysTick一般用于操作系统的时钟节拍,也可以用做普通的定时。

14.2.2.3. C、ADC时钟

ADC时钟由PCLK2经过ADC预分频器得到,分频因子可以是[2,4,6,8],具体的由时钟配置寄存器CFGR的位15-14:ADCPRE[1:0]决定。很奇怪的是怎么没有1分频。ADC时钟最高只能是14M,如果采样周期设置成最短的1.5个周期的话,ADC的转换时间可以达到最短的1us。如果真要达到最短的转换时间1us的话,那ADC的时钟就得是14M,反推PCLK2的时钟只能是:28M、56M、84M、112M,鉴于PCLK2最高是72M,所以只能取28M和56M。

14.2.2.4. D、RTC时钟、独立看门狗时钟

RTC时钟可由HSE/128分频得到,也可由低速外部时钟信号LSE提供,频率为32.768KHZ,也可由低速内部时钟信号LSI提供,具体选用哪个时钟由备份域控制寄存器BDCR的位9-8:RTCSEL[1:0]配置。独立看门狗的时钟由LSI提供,且只能是由LSI提供,LSI是低速的内部时钟信号,频率为30~60KHZ直接不等,一般取40KHZ。

14.2.2.5. E、MCO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。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。

14.3. 配置系统时钟实验

14.3.1. 使用HSE

一般情况下,我们都是使用HSE,然后HSE经过PLL倍频之后作为系统时钟。通常的配置是:HSE=8M,PLL的倍频因子为:9,系统时钟就设置成:SYSCLK = 8M * 9 = 72M。使用HSE,系统时钟最高为72M,这个是官方推荐的最高的稳定时钟,如果你想铤而走险,也可以超频,超频最高能到128M。当程序来到main函数之前,启动文件:statup_stm32f103.s已经调用SystemInit()函数把系统时钟初始化成72MHZ,SystemInit()在库文件:system_stm32f103xe.c中定义。如果我们想把系统时钟设置低一点或者超频的话,可以修改底层的库文件,但是为了维持库的完整性,我们可以根据时钟树的流程自行写一个。

14.3.2. 使用HSI

当HSE故障的时候,如果PLL的时钟来源是HSE,那么当HSE故障的时候,不仅HSE不能使用,连PLL也会被关闭,这个时候系统会自动切换HSI作为系统时钟,此时SYSCLK=HSI=8M,如果没有开启CSS和CSS中断的话,那么整个系统就只能在低速率运行,这是系统跟瘫痪没什么两样。如果开启了CSS功能的话,那么可以当HSE故障时,在CSS中断里面采取补救措施,使用HSI,并把系统时钟设置为更高的频率,最高是64M,64M的频率足够一般的外设使用,如:ADC 、SPI、I2C等。但是这里就又有一个问题了,原来SYSCLK=72M,现在因为故障改成64M,那么那些外设的时钟肯定被改变了,那么外设工作就会被打乱,那我们是不是在设置HSI时钟的时候,也重新调整外设总线的分频因子,即AHB,APB2和APB1的分频因子,使外设的时钟达到跟HSE没有故障之前一样。 但是这个也不是最保障的办法,毕竟不能一直使用HSI,所以当HSE故障时还是要采取报警措施。

还有一种情况是,有些用户不想用HSE,想用HSI,但是又不知道怎么用HSI来设置系统时钟,因为调用库函数都是使用HSE,下面我们给出个使用HSI配置系统时钟例子,起个抛砖引玉的作用。

14.3.3. 硬件设计

  1. RCC

  2. LED一个

RCC是单片机内部资源,不需要外部电路。通过LED闪烁的频率来直观的判断不同系统时钟频率对软件延时的效果。

14.3.4. 软件设计

我们编写两个RCC驱动文件,bsp_clkconfig.h和bsp_clkconfig.c,用来存放RCC系统时钟配置函数。

14.3.4.1. 编程要点

编程要点对应着时钟树图中的序号。

1、开启HSE/HSI ,并等待 HSE/HSI 稳定

2、设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子

3、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

4、开启PLL,并等待PLL稳定

5、把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK

6、读取时钟切换状态位,确保PLLCLK被选为系统时钟

14.3.4.2. 代码分析

这里只讲解核心的部分代码,有些变量的设置,头文件的包含等并没有涉及到,完整的代码请参考本章配套的工程。

14.3.4.2.1. 使用HSE配置系统时钟
代码 15‑2 HSE作为系统时钟来源
 void  HSE_SetSysClock(void)
 {
     RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
     RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};

     /* 使能HSE,并以HSE作为PLL时钟源 */
     oscinitstruct.OscillatorType  = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
     oscinitstruct.HSEState        = RCC_HSE_ON;
     oscinitstruct.HSEPredivValue  = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
     oscinitstruct.PLL.PLLState    = RCC_PLL_ON;
     oscinitstruct.PLL.PLLSource   = RCC_PLLSOURCE_HSE;
     oscinitstruct.PLL.PLLMUL      = RCC_PLL_MUL9;
     if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK) {
         /* 初始化错误 */
         while (1);
     }

     /* 选择PLL作为系统时钟源并配置HCLK,
     PCLK1和PCLK2分频系数*/
     clkinitstruct.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
                             RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
                             | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
     clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
     clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
     clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
     if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
         {
         /* 初始化错误 */
         while (1);
     }
 }

这个函数采用库函数编写,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21-18 PLLMUL[3:0],预先定义好倍频因子,方便调用。

14.3.4.2.2. 使用HSI配置系统时钟
void HSI_SetSysClock(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /*使能HSI,并以HSI作为PLL时钟源*/
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI_DIV2;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL16;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        while (1);
    }
    /*选择PLL作为系统时钟源并配置HCLK,
    PCLK1和PCLK2分频系数*/
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK| RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 |RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) !=
        HAL_OK) {
        while (1);
    }
}

HSI设置系统时钟函数跟HSE设置系统时钟函数在原理上是一样的,有一个区别的地方就是,HSI必须2分频之后才能作为PLL的时钟来源,所以使用HSI时,最大的系统时钟SYSCLK只能是HSI/2*16=4*16=64MHZ。

14.3.4.2.3. 软件延时
void Delay(__IO uint32_t nCount)
{
    for (; nCount != 0; nCount--);
}

软件延时函数,使用不同的系统时钟,延时时间不一样,可以通过LED闪烁的频率来判断。

14.3.4.2.4. MCO输出

在STM32F103系列中,PA8可以复用为MCO引脚,对外提供时钟输出,在HAL库stm32f1xx_hal_rcc.c中已经定义了相关函数,我们可以直接调用,用示波器监控该引脚的输出来判断我们的系统时钟是否设置正确。

代码 15‑3 MCO GPIO初始化
 1 /*
 2  * 初始化MCO引脚PA8
 3  * 在F103系列中MCO引脚只有一个,即PA8,在F4系列中,MCO引脚有两个
 4  */
 void HAL_RCC_MCOConfig(uint32_t RCC_MCOx, uint32_t RCC_MCOSource,
                     uint32_t RCC_MCODiv)
 {
     GPIO_InitTypeDef gpio = {0U};

     /* Check the parameters */
     assert_param(IS_RCC_MCO(RCC_MCOx));
     assert_param(IS_RCC_MCODIV(RCC_MCODiv));
     assert_param(IS_RCC_MCO1SOURCE(RCC_MCOSource));

     /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
     UNUSED(RCC_MCOx);
     UNUSED(RCC_MCODiv);

     /* Configure the MCO1 pin in alternate function mode */
     gpio.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
     gpio.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
     gpio.Pull      = GPIO_NOPULL;
     gpio.Pin       = MCO1_PIN;

     /* MCO1 Clock Enable */
     MCO1_CLK_ENABLE();

     HAL_GPIO_Init(MCO1_GPIO_PORT, &gpio);

     /* Configure the MCO clock source */
     __HAL_RCC_MCO1_CONFIG(RCC_MCOSource, RCC_MCODiv);
 }

我们初始化MCO引脚之后,可以直接调用库函数HAL_RCC_MCOConf()来选择MCO时钟来源。

14.3.4.2.5. 主函数
int main(void)
{
    // 使用HSI,配置系统时钟为72M
    HSE_SetSysClock();

    // LED 端口初始化
    LED_GPIO_Config();

    // MCO1 输出PLLCLK
    HAL_RCC_MCOConfig(RCC_MCO,RCC_MCO1SOURCE_PLLCLK, RCC_MCODIV_1);

    while (1)
    {
        LED2( ON );      // 亮
        Delay(0x0FFFFF);
        LED2( OFF );     // 灭
        Delay(0x0FFFFF);
    }
}

在主函数中,可以调用HSE_SetSysClock()或者HSI_SetSysClock()这两个函数把系统时钟设置成各种常用的时钟,然后通过MCO引脚监控,或者通过LED闪烁的快慢体验不同的系统时钟对同一个软件延时函数的影响。

14.3.5. 下载验证

把编译好的程序下载到开发板,可以看到设置不同的系统时钟时,LED闪烁的快慢不一样。更精确的数据我们可以用示波器监控MCO引脚看到。

图 15‑2 MCO=SYSCLK=72M

图 15‑2 MCO=SYSCLK=72M

图 15‑3 MCO=HSI=8M

图 15‑3 MCO=HSI=8M