STM32入门学习之系统时钟配置

1.  时钟就是单片机的心脏。单片机根据时钟频率来控制每个部件的工作，时钟是单片机的脉搏，决定了每条命令运行的速率，没有时钟单片机将停止工作。

如何理解“时钟决定了单片机每条命令运行的速率”？

首先需要去理解单片机中的时钟周期、机器周期和指令周期。

1.1 时钟周期：单片机的基本时间单位，是CPU执行基本操作的最小时间单位。每个时钟周期内，单片 机完成一个基本动作，时钟周期决定了单片机的运行速度。

时钟周期由晶振频率所决定，比如8MHz的MCU，其对应的时钟周期为（1/(8MHz)）= 125ns。

1.2 机器周期（CPU周期）：在单片机中，将一条指令的执行过程分为不同的阶段，每个阶段只完成一项基本操作，比如取指令、存储器读、存储器写等。

每一个基本操作都有若干CPU最基本动作所组成。完成一个基本操作所需要的时间即为机器周期，通常将从内存中读取一个指令字的最短时间定义为CPU周期。

1.3 指令周期：单片机执行一条指令所消耗的时间，即从取指（Fetch）、译码（Decode）、执行（Execute）所需要的全部时间。一个指令周期包含若干机器周期。

（图片参考于）

2.  STM32的时钟系统：

提到STM32时钟系统，不得不拿出祖传的时间系统框图：

如上图，STM32的系统时钟可以来自3个方向HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟、PLL时钟。

本文主要介绍STM32的系统时钟，关于看门狗时钟、USB时钟、RTC时钟暂不介绍，感兴趣的可以对照此框图自行配置（当理解系统时钟后，其他时钟的配置也大同小异）。

STM32有3个时钟总线：AHB（Advanced High-performance Bus Clock）、APB1（Advanced Peripheral Bus 1 Clock）、APB2（Advanced Peripheral Bus 2 Clock）。单片机所有的片上外设都挂载在这3个时钟总线上。

AHB时钟总线:连接处理器核心（如Cortex-M3）、高速外设（核心存储器、DMA、SDIO、FSMC）等，通常由系统时钟经过AHB分频器得到。 

APB1时钟总线：连接低俗外设（如TIM2~7，WWDG、SPI、USART2~5、I2C1~2、CAN1、DAC等），由AHB时钟经过APB1分频器得到。

APB2时钟总线：连接高速外设（如TIM1、TIM8、AFIO、GPIOA~G、ADC1~3、USART1、SPI1）等，通常由AHB时钟经过APB2分频器得到。

STM32系统时钟的配置过程即为：选择系统时钟源（HSI、HSE、PLL）、设置系统时钟（分频器）、设置AHB时钟、设置APB1时钟、设置APB2时钟。看门狗时钟、USB时钟、RTC时钟的配置过程类似系统时钟配置过程，具体的可根据时钟框图进行配置。

PLL锁相环可以理解为倍频器，比如8MHz，2倍频后便是16MHz。

分频器是降低频率，比如72MHz，2分频后便是36MHz。

3. STM32系统时钟具体配置过程：

通常是在启动文件中调用 SystemInit（）配置系统时钟，一般这个函数已经写好了的，用户只需要配置不同的宏定义便可以改变系统时钟频率。

用户也可以自己去操作这些寄存器，更详细的配置所需时钟频率。如果是自行操作寄存器配置时钟，则必须在main初始化其他外设之前就配置好自己的时钟。

假设现在使用STM32外部晶振频率为8MHz，需要配置系统系统来源为PLL，频率为40MHz，则重新配置时钟的过程为：

① 开启内部时钟（因为现在需要配置的时钟为外部时钟，所有在此过程中先切换为内部时钟，避免单片机没有时钟而无法工作）

② 复位之前的时钟配置（避免之前的配置影响后面配置）

③ 禁止、清除中断（时钟配置过程中不允许有中断）

④ 开启外部时钟

⑤ 配置系统时钟、AHB时钟、APB1和APB2时钟

⑥ 配置PLL锁相环

⑦ 设置PLL为系统时钟源

4.主要代码如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "pwm.h"/*ÅäÖÃϵͳʱÖÓ£º*/
void SystemClock_Init()
{//		RCC_DeInit();RCC->CR |= (1 << 0);				//¿ªÆôÄÚ²¿Ê±ÖÓ/*Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits*/RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;		//¹Ø±ÕÍⲿ¸ßËÙʱÖÓ¡¢¹Ø±ÕʱÖÓ¼ì²â¡¢¹Ø±ÕPLLËøÏà»·RCC->CR &= ~(1 << 18);		//ÉèÖÃÍⲿ¾§Õñ²»ÅÔ·£¬¼´ÍⲿʱÖÓÐèÒª¾­¹ýÕñµ´Æ÷/* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;			RCC->CIR &= 0x009F0000;			//½ûÖ¹ºÍÇå³ýÖжÏRCC->CR |= (1 << 16);				//¿ªÆôÍⲿʱÖÓwhile ((RCC->CR & (1 << 17)) == 0);		//µÈ´ýʱÖÓ¾ÍÐ÷RCC->APB1ENR |= (1 << 28);		//µçÔ´½Ó¿ÚʱÖÓʹÄÜ£¬Ï൱ÓÚ¿ªÆôAPB1ʱÖÓRCC->CFGR |= (0 << 17);RCC->CFGR |= ((0 << 4) | (5 << 8) | (4 << 11));			//ÅäÖÃϵͳʱÖÓ¡¢APB1¡¢APB2ʱÖÓRCC->CFGR |= (1 << 16);				//ÅäÖÃÍⲿ¸ßËÙʱÖÓHSEΪPLLʱÖÓÔ´
//		RCC->CFGR |= 0x07 << 18;		//PLLµÄ±¶ÆµÊýΪ9RCC->CFGR |= 0x03 << 18;		//PLLµÄ±¶ÆµÊýΪ2RCC->CR |= (1 << 24);					//ʹÄÜPLLwhile ((RCC->CR & (1 << 25)) == 0);		//µÈ´ýPLL¾ÍÐ÷RCC->CFGR &= ~(3 << 0);			//ÇåÁãRCC->CFGR |= (2 << 0);				//ÉèÖÃPLLΪϵͳʱÖÓwhile((RCC->CFGR & (3 << 2)) != (2 << 2));			//µÈ´ýPLL×÷ΪϵͳʱÖÓ¾ÍÐ÷
}void SystemClock_Init2()
{RCC_DeInit();RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);if(RCC_WaitForHSEStartUp() == SUCCESS){RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_3);RCC_PLLCmd(ENABLE);while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div4);}
}RCC_ClocksTypeDef RCC_Clock_Struct;
int main(void)
{int i;SystemClock_Init();
//		SystemClock_Init2();LED_Init();GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clock_Struct);while (1){GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);for (i = 0; i < 9000000; i++);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);for (i = 0; i < 9000000; i++);}
}

图片中有注释，复制的代码注释每次都乱码：

为什么这样去配置寄存器，其实是根据寄存器每一位的功能来配置，这个需要去查看STM32F103中文参考手册、数据手册中寄存器说明（寄存器配置其实就是给相应的位置写上不同的功能参数，最终都是通过操作寄存器而去操作外设）。

5.运行结果：

同样的代码，在不同的频率下执行的速率不同。比如在本文的LED点亮循环中，所有配置不变，将系统时钟频率从16MHz，修改至72MHz的过程中，LED的闪灭速度逐步增加。即频率越高，指令执行速度越快。

6.总结：

单片机的时钟是系统心脏，控制着每条指令执行的速度，没有时钟单片机将无法有序工作，产生意想不到的错误。所以在配置系统时钟的过程中，一定要根据单片机所允许的频率和数据手册去进行合理配置。