【12】STM32·HAL库开发-STM32时钟系统 | F1/F4/F7时钟树 | 配置系统时钟

1.认识时钟树（掌握）

1.1什么是时钟？

  下图的clk是clock（时钟）的缩写，下面的波形可以理解为脉冲信号或者方波。简单来说，时钟是具有周期性的脉冲信号，最常用的是占空比50%的方波。时钟是单片机的脉搏，搞懂时钟走向及关系，对单片机使用至关重要！

1.2认识时钟树（F1）

  下图是F1系列的时钟树，从左侧竖线开始，OSC_OUT与OSC_IN是外部高速晶振所连接的引脚，OSC32_IN与OSC32_OUT是外部低速晶振所连接的引脚，这两个是外部时钟源。STM32还有内部时钟源HSI与LSI。HSE经过PLLXTPRE选择器可以进行1分频或者2分频，PLLSRC用于选择内部还是外部时钟，经过PLL锁相环倍频得到PLLCLK，选择器控制位SW选择SYSCLK的时钟来源。Cortex系统时钟是滴答定时器SysTick，定时器时钟频率都为72Mhz，TIM1和TIM8位高级定时器。
  STM32是向外部输出时钟通道，MCO是引脚PA8复用得到此项功能，时钟来源有四个。

  四个时钟源的名字、作用如下，字母的简写形式为：
H：high
L：low
S：speed
I：internal
E：external

  振荡器主要分为晶体、陶瓷、RC，如果是晶体需要外接晶振，陈本提高，RC振荡器是芯片内部，不需要额外成本，但是从稳定、精确度方面来讲外部振荡器比较好。
  NIM为不可屏蔽中断，在休眠时将AHB总线时钟屏蔽，唤醒时需要中断进行唤醒，FCLK可以保证睡眠时仍可以产生中断，保证芯片内部一部分功能正常使用，

1.2.1STM32F103时钟树简图

  STM32F103最大系统时钟为72MHz，HSE与HSI想要得到72MHz需要经过PLL锁相环进行倍频，进入PLL之前也需要进行分频，HSI只有2分频，HSE可以选择1分频或者2分频。HSI经过2分频为4MHz经过16倍频，最大是64MHz，即用内部高速时钟最大可达64MHz，显然用内部是不满足的，基本是不使用。F1系列最常用HSE为8MHz，与HSI时钟一致，一分频后为8MHz，经过9倍频，可以得到72MHz。
  经过系统时钟来到HCLK（也就是AHB总线，AHB总线时钟用名字HCLK来表示），从SYSCLK到HCLK需要进行分频（分频系数不用关心，具体的分频系数需要查看寄存器，事实上该分频系数一般设置为1）；HCLK经过两个桥分为APB1和APB2总线，分频系数份别为2和1，AHB除了能分出APB1和APB2，AHB总线上还会挂载外设，并且内核时钟也是来自AHB。
  低速有LSI与LSE，LSI可以作为IWDG独立看门狗、RTC实时时钟外设的时钟来源，LSE只能作为RTC的时钟源。

时钟源（振荡器）、锁相环：HAL_RCC_OscConfig()，控制时钟源是否打开、锁相环PLL的倍频系数
系统时钟、总线：HAL_RCC_ClockConfig()，配置系统时钟的来源，SYSCLK->HCLK->APB1/APB2的分频器。
使能外设时钟：__HAL_RCC_PPP_CLK_ENABLE()，__HAL_RCC_PPP_CLK_ENABLE()并不是函数是宏，PPP代表任意外设，例如GPIO、ADC等，STM32为了低功耗，将所有外设时钟默认是关闭的，想要使用哪一个外设就要使能哪一个宏。
扩展外设时钟(RTC/ADC/USB)：HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig()，Ex是拓展Extend的缩写，不同系列，该函数配置的外设不同。

1.2.2STM32CubeMX时钟树（F103）

1.3认识时钟树（F4）

1.3.1F407时钟树

  下图是F407时钟树图，与F429时钟树不同。图中VCO，V是电压，C是控制，O是振荡器，也就是压控振荡器。

  时钟来源与F1类似，频率有些不同。

1.3.2F429时钟树

1.3.3STM32F4时钟树简图

  HSE与HSI都无法直接达到SYSCLK的最大时钟频率，需要经过锁相环倍频，在此之前需要进行M倍分频，F1系列锁相环PLL只是倍频器，而F4系列锁相环是先倍频后分频，SYSCLK一般经过1分频到达HCLK也就是AHB总线，在F4系列中AHB分为AHB1和AHB2，甚至AHB3，APB1与APB2是AHB1总线经过桥达到的。。LSE是专门为RTC提供的，RTC对时钟的精准度要求较高，优先选择LSE，如果没有LSE则用LSI代替。

时钟源、PLL：HAL_RCC_OscConfig()，用于配置四个时钟源的开关，以及RTC振荡器校准系数的设置。
系统时钟、总线：HAL_RCC_ClockConfig()，配置系统时钟的来源，
使能外设时钟：__HAL_RCC_PPP_CLK_ENABLE()，PPP可以是任意外设，例如GPIO
扩展外设时钟(PLLI2S/ I2S/ LTDC /RTC等)：HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig()

1.3.4STM32CubeMX时钟树（F407）

  48MHz clocks(MHz)可以作为全速USB(FSUSB)的时钟来源。

1.3.5STM32CubeMX时钟树（F429）

USB相关例程的系统时钟配置，为了让FSUSB全速运行，但是系统会超频，但是这些超频是允许的。

2，配置系统时钟（掌握）

1.配置HSE_VALUE：告诉HAL库外部晶振频率，在stm32xxxx_hal_conf.h，定义；
2.调用SystemInit()函数（可选）：在启动文件中调用， 在system_stm32xxxx.c定义；
3.选择时钟源，配置PLL：通过HAL_RCC_OscConfig()函数设置；
4.选择系统时钟源，配置总线分频器：通过HAL_RCC_ClockConfig()函数设置；
5.配置扩展外设时钟（可选）：通过HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig()函数设置，正点原子只在H7系列中设置此项。
3 +4 + 5 =正点原子自定义函数 sys_stm32_clock_init()

2.1外设时钟使能和失能

  我们要使用某个外设，必需先使能该外设时钟！！！
HAL库使能某个外设时钟的方法，以使能GPIOA为例，如：

 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();      		/* 使能 GPIOA 时钟 */

HAL库禁止某个外设时钟的方法，以使能GPIOA为例，如：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();      	/* 禁止 GPIOA 时钟 */

2.2sys_stm32_clock_init 函数（F1）

2.2.1HAL_RCC_OscConfig()函数（F1）

  HAL_RCC_OscConfig()函数原型如下，函数返回值为HAL_StatusTypeDef类型。

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef  *RCC_OscInitStruct)

  `第一个参数OscillatorType是选择4个振荡器中的哪一个；HSEState配置HSE打开还是关闭；HSI是永远RC振荡器的，会随着温度、电压变化而变化，不稳定，需要有一个校验值。

typedef struct 
{ uint32_t  OscillatorType; 		/* 选择需要配置的振荡器 */ uint32_t  HSEState; 			/* HSE 状态 */ uint32_t  HSEPredivValue; 		/* HSE 预分频值 */ uint32_t  LSEState; 			/* LSE 状态 */ uint32_t  HSIState; 			/* HSI状态 */ uint32_t  HSICalibrationValue; 	/* HSI 校准值 */ uint32_t  LSIState; 			/* LSI 状态 */ RCC_PLLInitTypeDef  PLL; 		/* PLL 结构体 */ 
}RCC_OscInitTypeDef;

RCC_PLLInitTypeDef锁相环结构体如下所示，PLLState是配置打开锁相环还是关闭，倍频系数为2~16倍频。

typedef struct 
{ uint32_t  PLLState; 		/* PLL 状态 */ uint32_t  PLLSource; 	/* PLL 时钟源 */ uint32_t  PLLMUL; 		/* PLL 倍频系数 */ 
}RCC_PLLInitTypeDef;

2.2.2 HAL_RCC_ClockConfig()函数（F1）

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef  *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency)

  HCLK是AHB总线时钟，PCLK1是APB1总线上时钟，PCLK2是APB2总线上时钟。

typedef struct 
{ uint32_t  ClockType; 		/* 要配置的时钟（SYSCLK/HCLK/PCLK1/PCLK2） */ uint32_t  SYSCLKSource; 		/* 系统时钟源 */ uint32_t  AHBCLKDivider; 		/* AHB  时钟预分频系数 */ uint32_t  APB1CLKDivider; 	/* APB1 时钟预分频系数 */ uint32_t  APB2CLKDivider; 	/* APB2 时钟预分频系数 */ 
}RCC_ClkInitTypeDef;

  F1系统时钟为72Mhz，FLASH时钟来源来自72Mhz，但是用72Mhz会超频，最大时钟频率为24Mhz，用72Mhz的时钟访问FLAH太快，需要等待几个周期。

uint32_t FLatency #define  FLASH_LATENCY_0   0x00000000U 				/* FLASH 0个等待周期 */ 
#define  FLASH_LATENCY_1   FLASH_ACR_LATENCY_0 		/* FLASH 1个等待周期 */ 
#define  FLASH_LATENCY_2   FLASH_ACR_LATENCY_1 		/* FLASH 2个等待周期 */

实际设置FLASH_ACR寄存器LATENCY位域，需要参考《 STM32F10xxx闪存编程参考手册.pdf 》3.1小节

2.2.3实际配置步骤

2.3.1.1.配置HSE_VALUE

  在stm32f1xx_hal_conf.h中配置HSE_VALUE的值。

#if !defined  (HSE_VALUE)
#if defined(USE_STM3210C_EVAL)
#define HSE_VALUE    25000000U /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#else
#define HSE_VALUE    8000000U /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif
#endif /* HSE_VALUE */

2.3.2，调用SystemInit()函数（可选）

  如果不想调用SystemInit()函数，可以用分号“;”注释掉。SystemInit()函数在system_stm32f1xx.c中被定义，只配置了中断向量表所在的位置，并没有配置时钟相关。

; Reset handler
Reset_Handler   PROCEXPORT  Reset_Handler             [WEAK]IMPORT  __mainIMPORT  SystemInitLDR     R0, =SystemInitBLX     R0               LDR     R0, =__mainBX      R0ENDP

2.3.2，调用sys_stm32_clock_init()函数

  sys_stm32_clock_init()函数一般在main函数的前几行被调用，主要由函数HAL_RCC_OscConfig和HAL_RCC_ClockConfig组成。选择要配置的时钟时，可以用或“|”同时设置多个时钟，结构体rcc_osc_init在定义时给到0，如果其中结构体未被赋值，则默认为0，如果不定义可能为随机数，赋值为0是为了避免不必要的麻烦。

void sys_stm32_clock_init(uint32_t plln)
{HAL_StatusTypeDef ret = HAL_ERROR;RCC_OscInitTypeDef rcc_osc_init = {0};RCC_ClkInitTypeDef rcc_clk_init = {0};rcc_osc_init.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;       /* 选择要配置HSE */rcc_osc_init.HSEState = RCC_HSE_ON;                         /* 打开HSE */rcc_osc_init.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;          /* HSE预分频系数 */rcc_osc_init.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;                     /* 打开PLL */rcc_osc_init.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;             /* PLL时钟源选择HSE */rcc_osc_init.PLL.PLLMUL = plln;                             /* PLL倍频系数 */ret = HAL_RCC_OscConfig(&rcc_osc_init);                     /* 初始化 */if (ret != HAL_OK){while (1);                                              /* 时钟初始化失败，之后的程序将可能无法正常执行，可以在这里加入自己的处理 */}/* 选中PLL作为系统时钟源并且配置HCLK,PCLK1和PCLK2*/rcc_clk_init.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);rcc_clk_init.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;        /* 设置系统时钟来自PLL */rcc_clk_init.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;               /* AHB分频系数为1 */rcc_clk_init.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;                /* APB1分频系数为2 */rcc_clk_init.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;                /* APB2分频系数为1 */ret = HAL_RCC_ClockConfig(&rcc_clk_init, FLASH_LATENCY_2);  /* 同时设置FLASH延时周期为2WS，也就是3个CPU周期。 */if (ret != HAL_OK){while (1);                                              /* 时钟初始化失败，之后的程序将可能无法正常执行，可以在这里加入自己的处理 */}
}

2.4sys_stm32_clock_init 函数（F4/F7）

  STM32F4/F7系列的sys_stm32_clock_init 函数实现主要由HAL_RCC_OscConfig()函数和HAL_RCC_ClockConfig()函数实现。

2.4.1 HAL_RCC_OscConfig()函数

  HAL_RCC_OscConfig()函数的返回值数据类型为HAL_StatusTypeDef ，一般无需关心其返回值，除非函数在调用过程中出现了问题。

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef  *RCC_OscInitStruct)

  `OscillatorType是选择外部的哪个振荡器，如果要配置多个振荡器，则用竖线“|”隔开。

typedef struct 
{ uint32_t  OscillatorType; 		/* 选择需要配置的振荡器 */ uint32_t  HSEState; 			/* HSE 状态 */ uint32_t  LSEState; 			/* LSE 状态 */ uint32_t  HSIState; 			/* HSI 状态 */ uint32_t  HSICalibrationValue; 	/* HSI 校准微调值，范围0x0~0x1F */ uint32_t  LSIState; 			/* LSI 状态 */ RCC_PLLInitTypeDef  PLL; 		/* PLL 结构体 */ 
}RCC_OscInitTypeDef;

typedef struct 
{ uint32_t  PLLState; 		/* PLL 状态 */ uint32_t  PLLSource; 	/* PLL 时钟源 */ uint32_t  PLLM; 		/* PLL 分频系数 M */ uint32_t  PLLN; 		/* PLL 倍频系数 N */ uint32_t  PLLP; 		/* PLL 分频系数 P */ uint32_t  PLLQ; 		/* PLL 分频系数 Q */ 
}RCC_PLLInitTypeDef; 

2.4.2HAL_RCC_ClockConfig()函数

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef  *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency)

typedef struct 
{ uint32_t  ClockType; 		/* 要配置的时钟（SYSCLK/HCLK/PCLK1/PCLK2） */ uint32_t  SYSCLKSource; 		/* 系统时钟源 */ uint32_t  AHBCLKDivider; 		/* AHB  时钟预分频系数 */ uint32_t  APB1CLKDivider; 	/* APB1 时钟预分频系数 */ uint32_t  APB2CLKDivider; 	/* APB2 时钟预分频系数 */ 
}RCC_ClkInitTypeDef;

  配置FLASH的等待周期，由于F4/F7系列的系统时钟都比访问FLASH的时钟更快，如果要有系统时钟访问FLASH则需要进行等待，一共是有0~15，16个选择。但是在有些芯片中，可能是0~7，那么需要查询FLASH_ACR寄存器LATENCY位域

uint32_t FLatency #define  FLASH_LATENCY_0   FLASH_ACR_LATENCY_0WS 	/* FLASH 0个等待周期 */ 
#define  FLASH_LATENCY_1   FLASH_ACR_LATENCY_1WS 	/* FLASH 1个等待周期 */ 
#define  FLASH_LATENCY_2   FLASH_ACR_LATENCY_2WS 	/* FLASH 2个等待周期 */ 
... 
#define  FLASH_LATENCY_15   FLASH_ACR_LATENCY_15WS 	/* FLASH 15个等待周期 */ 

2.4.3Stm32_Clock_Init()函数

  下面为F429时钟配置函数，__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG函数设置调压器输出电压，来控制最大可达到的时钟。其中等待周期FLASH_LATENCY_5可以根据STM32F4xx中文参考手册中的表7， CPU 时钟 (HCLK) 频率对应的等待周期数来进行配置。

//时钟系统配置函数
//Fvco=Fs*(plln/pllm);
//SYSCLK=Fvco/pllp=Fs*(plln/(pllm*pllp));
//Fusb=Fvco/pllq=Fs*(plln/(pllm*pllq));//Fvco:VCO频率
//SYSCLK:系统时钟频率
//Fusb:USB,SDIO,RNG等的时钟频率
//Fs:PLL输入时钟频率,可以是HSI,HSE等. 
//plln:主PLL倍频系数(PLL倍频),取值范围:64~432.
//pllm:主PLL和音频PLL分频系数(PLL之前的分频),取值范围:2~63.
//pllp:系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)
//pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.//外部晶振为25M的时候,推荐值:plln=360,pllm=25,pllp=2,pllq=8.
//得到:Fvco=25*(360/25)=360Mhz
//     SYSCLK=360/2=180Mhz
//     Fusb=360/8=45Mhz
//返回值:0,成功;1,失败
void Stm32_Clock_Init(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)
{HAL_StatusTypeDef ret = HAL_OK;RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStructure; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStructure;__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); //使能PWR时钟//下面这个设置用来设置调压器输出电压级别，以便在器件未以最大频率工作//时使性能与功耗实现平衡，此功能只有STM32F42xx和STM32F43xx器件有，__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);//设置调压器输出电压级别1RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;    //时钟源为HSERCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON;                      //打开HSERCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;//打开PLLRCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;//PLL时钟源选择HSERCC_OscInitStructure.PLL.PLLM=pllm; //主PLL和音频PLL分频系数(PLL之前的分频),取值范围:2~63.RCC_OscInitStructure.PLL.PLLN=plln; //主PLL倍频系数(PLL倍频),取值范围:64~432.  RCC_OscInitStructure.PLL.PLLP=pllp; //系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)RCC_OscInitStructure.PLL.PLLQ=pllq; //USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化if(ret!=HAL_OK) while(1);ret=HAL_PWREx_EnableOverDrive(); //开启Over-Driver功能if(ret!=HAL_OK) while(1);//选中PLL作为系统时钟源并且配置HCLK,PCLK1和PCLK2RCC_ClkInitStructure.ClockType=(RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);RCC_ClkInitStructure.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;//设置系统时钟时钟源为PLLRCC_ClkInitStructure.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1;//AHB分频系数为1RCC_ClkInitStructure.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV4; //APB1分频系数为4RCC_ClkInitStructure.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2; //APB2分频系数为2ret=HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStructure,FLASH_LATENCY_5);//同时设置FLASH延时周期为5WS，也就是6个CPU周期。if(ret!=HAL_OK) while(1);
}

3，总结（了解）