送给新手：STM32的时钟树解析

liao821

STM32的时钟树
1 l; Y4 t' _; t) ^1 S$ T         对于广大初次接触STM32的读者朋友（甚至是初次接触ARM器件的读者朋友）来说，在熟悉了开发环境的使用之后，往往“栽倒”在同一个问题上。这问题有个关键字叫：时钟树。
   众所周知，微控制器（处理器）的运行必须要依赖周期性的时钟脉冲来驱动——往往由一个外部晶体振荡器提供时钟输入为始，最终转换为多个外部设备的周期性运 作为末，这种时钟“能量”扩散流动的路径，犹如大树的养分通过主干流向各个分支，因此常称之为“时钟树”。在一些传统的低端8位单片机诸如 51，AVR，PIC等单片机，其也具备自身的一个时钟树系统，但其中的绝大部分是不受用户控制的，亦即在单片机上电后，时钟树就固定在某种不可更改的状 态（假设单片机处于正常工作的状态）。比如51单片机使用典型的12MHz晶振作为时钟源，则外设如IO口、定时器、串口等设备的驱动时钟速率便已经是固 定的，用户无法将此时钟速率更改，除非更换晶振。
         而STM32微控制器的时钟树则是可配置的，其时钟输入源与最终达到外设处的时钟速率不再有固定的关系，本文将来详细解析STM32微控制器的时钟树。图1是STM32微控制器的时钟树，表1是图中各个标号所表示的部件。
. i9 |2 u! o, d$ Z+ H" o  O' Q7 R标号            图1标号释义
4 r$ i& k) ~( D) X* a3 t+ L  S2 u1     内部低速振荡器（LSI，40Khz）
2     外部低速振荡器（LSE，32.768Khz）
3    外部高速振荡器（HSE，3-25MHz）
4    内部高速振荡器（HIS，8MHz）
5    PLL输入选择位
6    RTC时钟选择位
7    PLL1分频数寄存器
2 q. C$ R+ T4 t8    PLL1倍频寄存器
& T- j& M+ l% a6 k9    系统时钟选择位
% n+ H% K7 o1 \10            USB分频寄存器
* e$ r- t# S. _9 k11            AHB分频寄存器
12            APB1分频寄存器
13            AHB总线
14            APB1外设总线
15            APB2分频寄存器
16       APB2外设总线
17            ADC预分频寄存器
18            ADC外设
3 w& P2 o# {& X$ H7 l# W' h: G19            PLL2分频数寄存器
. |1 [  S: [, y: {2 E" R, c0 b20            PLL2倍频寄存器
21            PLL时钟源选择寄存器
  z7 M5 U! v6 T% Y. k- ^( i22            独立看门狗设备
' }+ p. K' p. B! Y0 q# t- l! u/ W. J) y/ \2 m23       RTC设备
) B! y8 T  R4 t0 W6 W  r% z8 lSTM32时钟树.jpg
) [8 Q' C% W# {, ^+ c0 [# \图1  STM32的时钟树
$ V+ `. P6 i0 u! \# n: E, S: V   在认识这颗时钟树之前，首先要明确“主干”和最终的“分支”。假设使用外部8MHz晶振作为STM32的时钟输入源（这也是最常见的一种做法），则这个 8MHz便是“主干”，而“分支”很显然是最终的外部设备比如通用输入输出设备（GPIO）。这样可以轻易找出第一条时钟的“脉络”：
3——5——7——21——8——9——11——13
* M+ v( M1 E, O' q' x对此条时钟路径做如下解析：
对于3，首先是外部的3-25MHz（前文已假设为8MHz）输入；
5 X% Z8 C5 }0 z3 J8 b9 E对于5，通过PLL选择位预先选择后续PLL分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；
" f8 s0 h( R* n* _  e: l对于7，设置外部晶振的分频数（假设1分频）；
& _' @3 Q5 G& ~4 l$ u0 H% x/ |( @3 o对于21，选择PLL倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；
$ U; E2 X$ v( m; {: w* E, c对于8，设置PLL倍频数（假设9倍频）；
对于9，选择系统时钟源（假设选择经过PLL倍频所输出的时钟）；
+ h: X+ v9 G/ y- J, S2 |- n1 V对于11，设置AHB总线分频数（假设1分频）；
2 T# l# I- h# Y对于13，时钟到达AHB总线；
在上一章节中所介绍的GPIO外设属于APB2设备，即GPIO的时钟来源于APB2总线，同样在图1中也可以寻获GPIO外设的时钟轨迹：
1 w1 n: b2 ?7 r# f3——5——7——21——8——9——11——15——16
4 o3 o4 x# s- E7 I$ f+ Z9 I对于3，首先是外部的3-25MHz（前文已假设为8MHz）输入；
对于5， 通过PLL选择位预先选择后续PLL分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；
3 ~3 r' k4 E' \对于7，设置外部晶振的分频数（假设1分频）；
0 a: Z7 w0 d$ `& ]3 ?9 ?对于21，选择PLL倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；
0 A" [1 q# W, z( v# V* {! V6 W% L对于8，设置PLL倍频数（假设9倍频）；
对于9，选择系统时钟源（假设选择经过PLL倍频所输出的时钟）；
  ~0 K9 h8 f1 z" I% O对于11，设置AHB总线分频数（假设1分频）；
对于15，设置APB2总线分频数（假设1分频）；
7 P2 `# A/ B7 ^8 Y6 V6 L对于16，时钟到达APB2总线；
- u( Q' r( y$ u现在来计算一下GPIO设备的最大驱动时钟速率（各个条件已在上述要点中假设）：
- K$ I% O/ t+ a0 K8 P+ D# a9 e6 c2 o1)   由3所知晶振输入为8MHz，由5——21知PLL的时钟源为经过分频后的外部晶振时钟，并且此分频数为1分频，因此首先得出PLL的时钟源为：8MHz / 1 = 8MHz。
1 |0 \7 q, o  M/ G, S' N2)   由8、9知PLL倍频数为9，且将PLL倍频后的时钟输出选择为系统时钟，则得出系统时钟为 8MHz * 9 = 72MHz。
4 b8 X' P3 x0 X0 h/ r$ P0 o3)   时钟到达AHB预分频器，由11知时钟经过AHB预分频器之后的速率仍为72MHz。
4)   时钟到达APB2预分频器，由15经过APB2预分频器后速率仍为72MHz。
+ y; G6 v2 T* \! o! F; m7 G3 u( Z4 L5)   时钟到达APB2总线外设。
因此STM32的APB2总线外设，所能达到的最大速率为72MHz。依据以上方法读者可以搜寻出APB1总线外设时钟、RTC外设时钟、独立看门狗等外设时钟的来龙去脉。接下来从程序的角度分析时钟树的设置，程序清单如下：
+ d7 S$ s9 q/ b! h+ e" c% Z! B5 q& Lvoid RCC_Configuration(void)
{
        ErrorStatus HSEStartUpStatus;                                                                                                     （1）
        RCC_DeInit();                                                             （2）
        RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);                                                                                                   （3）
        HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();                                                                     （4）
        if(HSEStartUpStatus == SUCCESS)                                                                                                （5）
        {
                   RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);                                                                              （6）
4 U) V' w, G- V) [2 }8 p9 ?* p9 H                     RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);                                                                               （7）
) p" o5 P5 z. d( J0 u                     RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);                                                                                （8）
5 A6 v& K/ j& R" ?. o" Y                    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                                                                             （9）
5 J4 D4 o7 L8 _: Y+ K5 g                    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);                                      （10）
0 v- i/ ~5 S$ t                  RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);                                         （11）
                  RCC_PLLCmd(ENABLE);                                      （12）
' Q5 _( X+ A* U' H3 I                  while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);                                                       （13）
                  RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);                                                               （14）
3 d) G+ r' C2 d                  while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);                                                                               （15）
% {+ h3 \+ g0 l" _        }
7 D' d9 |6 h, l& H% B6 |5 @

Haiting32451

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