STM32的时钟介绍

前言

最近因为工作需要又重新接触到了大学时期经常使用的STM32单片机。本以为自己工作了那么多年，再加上大学时期经常使用单片机，对于在STM32上面开发应该是手到擒来。

但是在真正开发时还是碰到了很多问题，特别是时钟这块，经常被各种SYSCLK,HCLK, APB, AHB, PLL等搞的晕头转向，调试时也不知道该如何下手，于是决定花点时间把STM32单片机的时钟给梳理下，弄清楚后再进行开发，否则只是一味的去试不仅消耗时间多，而且很难得到最正确的那个解。

1. 简介

1.1 时钟是用来做什么的

时钟简单来说就是用来驱动整个芯片进行工作的，它为设备的运行提供了心跳。如果时钟速度越快，那么心跳的频率也就越快，执行指令的速度也就更快。时钟精度越高，每次心跳的间隔和周期也就更一致，出现误差的可能性就越小。

官方的说：时钟是由电路产生的具有周期性的脉冲信号，相当于单片机的心脏，要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟。由时钟去驱动指令的执行。

1.2 时钟产生的方式

时钟一般是通过RC振荡器或者晶体振荡器、陶瓷振荡器等来提供时钟信号。

• RC振荡器时钟

•   -  使用了电阻（R）和电容（C）来产生振荡信号-  由于仅需要简单的电阻和电容元件，RC振荡器的成本通常比晶体振荡器、陶瓷谐振器等更低。-  精度相对较低：与晶体振荡器相比，RC振荡器的频率稳定性和精度通常较低。
  

• 陶瓷振荡器

    - 陶瓷谐振器也是一种用于产生时钟信号的设备，它与晶体振荡器类似，但频率稳定性和精度通常没有晶体振荡器高。- 由于成本更低且尺寸较小，陶瓷谐振器常用于对频率要求不太严格的应用。
  

• 晶体时钟振荡器

    - 晶体振荡器是一种利用晶体的共振特性产生稳定时钟信号的设备。- 它通常具有非常高的频率稳定性和准确性，适用于需要高精度时钟信号的场合，如微控制器、微处理器等。- 晶体振荡器通常需要外部连接晶体来实现工作。
  

整体上来说晶体和陶瓷振荡器相比较于RC振荡器更加稳定，精度更好，成本也更高。一般情况下单片机的HSI（内部高速时钟）使用的都是RC振荡器，外部HSE采用陶瓷和晶体等精度更高的振荡器。

2. 时钟树的组成

上图是一个STM32时钟树图，该图是从STM32CUBE MX上截取下来的。如果对单片机的时钟没有个初步了解的话，让我们直接去通过这个图去配置时钟，估计大多数人都会感觉到无从下手。下面我们就一点点去分析上面这个时钟树有哪些东西组成，相信等看完了分析后，就能有个初步的理解了。

2.1 时钟源

时钟源也就是一切时钟的源头。
STM32的时钟源总共分为两种，一种是外部时钟如HSE和LSE，另外一种是内部时钟如HSI，MSI，LSI。他们构成了时钟的源头，后续其他的PLL和SYSCLK ,HCLK ,PCLK都是由这些时钟源一部部产生的（实际上就是倍频或者分频）。

2.1.1 内部时钟

• LSI（（Low-Speed Internal RC Oscillator））

  低速内部时钟，RC振荡器

  通常工作在几十Khz范围内，用于一些低功耗模式下的定时器或者看门狗定时器功能。
  以及一些对时钟精度要求不高的场景

• MSI（Multi-Speed Internal RC Oscillator）

  在STM32L4系列微控制器中引入的新型内部时钟源。
  MSI时钟源提供了多个可选的频率档位，可以根据应用的需求选择不同的频率，从数百千赫兹到数十兆赫兹不等。

  • 为什么会有MSI？

      灵活性：MSI的引入可以让开发者在不同的应用场景下选择合适的时钟频率，从而更好地平衡性能和功耗。功耗优化：MSI可以提供多个可调节的时钟频率选项，在低功耗模式下选择较低的频率，可以有效降低功耗。
    

  • MSI的工作原理？

    我们知道其它时钟一般都是使用固定频率的RC振荡器，但是MSI他是可以进行配置的，这是为什么呢？这是因为MSI是通过内部的数字控制单元来产生时钟信号的。在STM32微控制器中，MSI通常是一个可编程的RC振荡器，其频率可以在一定范围内进行调节。
    当需要使用MSI作为时钟源时，可以通过寄存器设置选择合适的频率，控制单元会根据设置的参数来产生相应的时钟信号。
    MSI的工作原理涉及到数字控制单元中的PLL（Phase-Locked Loop）等电路，具体细节可能会因不同型号和系列的STM32微控制器而有所差异。

• HSI　（High-Speed Internal RC Oscillator）

高速内部时钟，RC振荡器

高速内部RC振荡器，通常工作在几十兆赫兹的频率范围内。HSI时钟是STM32微控制器的主要时钟源之一，用于驱动处理器核心和大部分外设模块的正常运行。

2.1.2 外部时钟

• HSE（High-Speed External）

  外部高速振荡器，可以连接到微控制器的晶体振荡器引脚（OSC_IN和OSC_OUT）。

  外部时钟振荡器一般采用晶体振荡器，他可以提供更高的准确性和稳定性。
  但是同时成本也更高一些

• LSE（Low-Speed External）

  一种用于提供低速时钟信号的外部时钟源

  STM32微控制器中，LSE通常指的是外部32.768kHz晶体振荡器，因为它的频率正好是2的15次方，可以很方便地与RTC的预分频器相结合，从而实现精确的秒级时间计数。

2.2 PLL锁相环

PLL是一种电路，可根据输入的参考时钟信号生成一个高频率的时钟信号输出。在STM32中，PLL通常用于将外部晶体振荡器提供的低频时钟信号倍频，从而生成更高频率的系统时钟信号，以满足处理器核心和外设的工作频率要求。

2.3 SYSCLK

指在STM32微控制器中用于驱动整个系统的时钟信号。它是所有内部模块和外设的时钟源，对于系统的正常运行至关重要。

Sysclk的频率和稳定性直接影响着处理器的运行速度、外设的工作性能以及整个系统的功耗。

从上图可以看到SYSCLK的时钟一般来自于HSI、MSI、HSE、PLL。

然后SYSCLK的时钟通过AHB预分频器分频后传递到HCLK。

同时系统中其它的外设在初始化时也可以将自己的时钟源选择到SYSCLK。

2.4 AHB和HCLK

AHB是什么？
AHB（Advanced High-performance Bus）是一种用于连接主要系统总线和高性能外设的总线架构，它是STM32微控制器中的主要系统总线之一，用于连接处理器核、内存和高带宽外设，如DMA控制器、高速存储器接口等

为什么会有AHB？

• 高性能需求：一些外设，比如DMA控制器、存储器接口等，需要更高的数据传输速度和带宽，而普通的总线无法满足这些要求。
• 分流系统负载：将外设的访问流量从主系统总线中分流出来，可以减轻主系统总线的负荷，提高整个系统的效率和性能。

AHB prescaler（AHB预分频器）

是用来设置Advanced High-performance Bus（AHB）时钟频率的寄存器。通过配置AHB预分频器，可以将系统时钟（SYSCLK）分频后得到AHB总线的工作频率。

HCLK（AHB Clock）

HCLK就是AHB 总线的时钟

2.5 APB和PCLK

APB是什么？
APB代表高级外设总线（Advanced Peripheral Bus），是连接外设的总线。在STM32微控制器中，通常有两种类型的APB总线：APB1和APB2。

APB1
APB1主要连接低速外设

APB2
APB2主要连接高速外设

PCLK
APB1上的时钟为PCLK1，APB2上的时钟为PCLK2

2.6 总结

STM32的时钟首先来自于时钟源，其中HSI、HSE、MSI这些高速时钟一般是用于系统时钟（SYSCLK）的，LSI和LSE是用于低速外设的。

然后SYSCLK 分频后得到 HCLK， HCLK分频后得到PCLK1和PCLK2。

对于整个系统来说，之所以产生如此之多的时钟，是为了适配不同工作速率的硬件，大家想一下如果都用高速时钟那么功耗就很高，且会占据很多的CPU资源。然后一些外设根本用不到那么快的时钟，给他们那么高的时钟频率，不仅不会带来好处，反而会增加功耗，降低CPU的处理效率。因此通过这种多时钟的方式，去为不同的外设分配合适的时钟，可以有效降低功耗以及提升CPU的执行效率。例如CPU和FLASH需要用到高速时钟，而看门狗和RTC这些使用低速时钟就可以了。

3. STM32时钟的如何进行工作

1. 时钟源选择

内部时钟源的选择：STM32微控制器通常包含多种内部时钟源，如LSI、MSI和HSI等，在初始化阶段需要选择合适的内部时钟源，并使能该时钟源。

外部时钟源的选择：除了内部时钟源，STM32微控制器还可以接入外部晶体振荡器或其他外部时钟源，用于提供更高精度或更高频率的时钟信号。在初始化阶段需要配置外部时钟源，并使能相应的外部时钟输入。

2. PLL的倍频

将外部时钟信号进行倍频，从而产生更高频率的时钟信号，以满足处理器核心和外设的工作频率要求。

3. 时钟分频

时钟信号可以通过分频器进行分频，以获得特定频率的时钟信号，适应不同模块的工作频率需求。

4. 配置外设始终

不同的外设可以在初始化时，选择使用哪个时钟。

总的来说，时钟系统的工作原理就是通过选择合适的内部或外部时钟源，进行倍频和分频操作，将时钟信号分配给各个模块，以确保微控制器内部各个部件都能够按照预期的频率和时序工作。这样可以保证整个系统的稳定性、可靠性和性能。

4.我的疑问

4.1 使用MSI和HSI有什么区别吗？

MSI是一个多速率内部振荡器，HSI是高速内部时钟。

• 时钟频率： MSI可以通过软件配置产生不同频率的时钟。HSI是一个固定的16MHZ的内部RC振荡器
• 启动时间：HSI的启动时间相对较短，因为他是内部振荡器。而MSI的启动时间可能稍长一些。
• 应用场景：HSI适用于精度要求不高的应用，如简单的控制任务，HSI可能就足够了。而对于需要更高时钟精度或者特定频率的应用 需要使用MSI进行相应的配置 精度和稳定性：MSI的主振荡器内部时钟通常具有更好的稳定性和精确度，适合对时钟精度要求较高的应用场合

4.2 MSI的频率为什么可以调节？

振荡器的频率不都是固定的吗？MSI用的什么振荡器为什么可以调节？

因为它内部集成了一个可编程的RC振荡器

5. 总结

STM32的时钟首先来自于时钟源，其中HSI、HSE、MSI这些高速时钟一般是用于系统时钟（SYSCLK）的，LSI和LSE是用于低速外设的。

然后SYSCLK 分频后得到 HCLK， HCLK分频后得到PCLK1和PCLK2。

对于整个系统来说，之所以产生如此之多的时钟，是为了适配不同工作速率的硬件，大家想一下如果都用高速时钟那么功耗就很高，且会占据很多的CPU资源。然后一些外设根本用不到那么快的时钟，给他们那么高的时钟频率，不仅不会带来好处，反而会增加功耗，降低CPU的处理效率。因此通过这种多时钟的方式，去为不同的外设分配合适的时钟，可以有效降低功耗以及提升CPU的执行效率。例如CPU和FLASH需要用到高速时钟，而看门狗和RTC这些使用低速时钟就可以了。

6. 参考资料

STM32各种时钟的区别
GPT