关于单片机的时钟浅谈及STM32F103/F030单片机的内外时钟切换问题

绪论

本文主要讲解单片机的时钟系统的相关知识，并进行超频测试，同时介绍如何在STM32F0单片机上进行内外时钟的切换，在不使用外部晶振或者外部晶振不启动时自动切换内部时钟的方法。

一、杂谈

问题来源于群里的一次问答：

诚然，当使用固件库时，把外部晶振摘掉，系统确实会自动切换到内部时钟，但是只会以8M的默认值运行，显然这是十分不可行的，8M的速度直接让我们的STM32病入膏肓，今天的任务就是让STM32失去外挂（晶振）时，依旧可以激情澎湃。
时钟详解这里不过多介绍，自己也没有别人介绍的好。此帖旨在解决现实问题。
此处插播广告：
群友问过这种问题，外部接8M晶振和16M晶振有啥区别？

以我微薄的经验来看，这两个在用的时候差别不大，如果使用ST的固件库（以STM32F103为例），使用8M的晶振会更方便，不用改任何代码，时钟就是72M的全速运行状态。如果用16M晶振，则需要修改代码：
在stm32f10x.h中修改宏定义
HSE_VALUE ((uint32_t)8000000)为HSE_VALUE ((uint32_t)16000000)。

之后进入system_stm32f10x.c，将
RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);
改为
RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLXTPRE_HSE_Div2 | RCC_CFGR_PLLMULL9);
此处是将输入时钟二分频为8M，再进行9倍频到72M，和使用了8M没区别。如果不进行该二分频操作，时钟还是有的，但是会以16M为基准进行9倍频到144M，此时单片机以超频模式运行，也是可以运行的。但是时钟的精准性不能得到保证。

系统的时钟可以通过添加代码在debug模式下显示：

RCC_ClocksTypeDef ClockInfo;
RCC_GetClocksFreq(&ClockInfo);

通过debug模式下观察ClockInfo的值便可知道此时系统时钟速度：

这里提一下，在使用外部晶振的情况下，ST即使是超频，依旧发挥稳定，不得不夸一下ST的质量。
此时我将我的开发板以8M的基准倍频16倍，得到128M的主频，使用定时器定时10us，示波器测试无误差。串口通信无误。




以72M的主频跑128依旧稳定，赞一个，因为我的外部晶振只有8M最大只能倍频到128，如果使用外部16M，不知继续倍频可以到多少。不过性能还是很好的。

预留测试GD32的效果：
写贴时将GD的GD32E230翻出来进行了同样的测试，因为GD的倍频器倍数较高，我已经倍频到144M（标准72M），测试定时器依旧稳定。

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上半场结束，下半场继续：
此处歪解一下时钟的问题，之前有群友很疑惑单片机的低功耗和时钟的关系，疑惑高速的时钟会不会增加MCU的功耗，为啥低功耗要降低时钟速度。这里讲解一下：
可以用用单位时间内执行的指令来看，高速时钟在单位时间内使系统跑了更多的指令，而低速时钟单位时间内跑的少，而单片机是直线结构，内核是不会休息的，功耗就看执行的指令多少。而单片机的低功耗就是降低时钟，让单片机跑慢点。就像人一样，低功耗相当于你不跑了，原地休息，但是你的心跳不会停止，你还是得消耗能量，即使再少还得消耗。
就像人一样，时钟就相当于心跳，只要还活着就得消耗能量，你要想跑得快，心脏就得跳得快，跳得越快能量消耗越高，即使你去睡觉，心跳只要不停止，你还得消耗能量，如果心跳没了，整个人就没了，MCU也就宕机了。所以在处理低功耗时最先解决的就是时钟频率，只有降低了时钟的频率，才能真正降低功耗。关于单片机进入低功耗和唤醒，以及降低整体运行功耗我看能不能在下文讲解，近期刚好做了一个低功耗的项目，这里留悬念吧。

二、内外时钟切换

广告结束，正文开始，不好意思，有点喧宾夺主了哈。
回到主题，为了解决时钟切换的问题，才有了这个帖子，上文全属歪楼，为最近开发时的经验总结。
我们在使用STM32103的固件库时，时钟配置在system_stm32f10x.c中，但是只是对外部晶振做了初始化，而对于内部时钟并没有添加代码，如果你的MCU没有外部晶振，当系统运行时是先启动内部时钟，然后会检测外部晶振，如果没有检测到晶振，系统便以内部的8M继续运行，这是不合理的。

这里可以看到，如果外部启动失败，会进入这个else，但是这个else中并未添加任何代码，所以只会用8M的内钟执行，我们要做的就是在else中添加外部启动失败的代码：

    /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; /*PLLCLK=8/2*13=52MHz   设置倍频得到时钟源PLL的频率*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;/* PLL不分频输出  */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* 使能 PLL时钟 */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* 等待PLL时钟就绪*/while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}

该代码填充后如果检测到有外部时钟，便以外部时钟为基准进行时钟的倍频处理，达到用户想要的时钟频率，如果你的MCU没有外部时钟，则会执行else内部的代码，将时钟源切换到内部时钟并进行倍频。如此便达到了自动检测时钟的目的。
问题：这是我根据STM32F031的时钟切换代码演变来的，但是这个只能用于主频小于或等于48M时使用，如果倍频因子超过12，也就是主频超过48M是，就会出现硬件错误，直接卡死。当需要更高的主频时就需要如下配置。
在else里面最开头添加：

    /* Enable Prefetch Buffer */FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;/* Flash 2 wait state */FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;        

问：
如果我的MCU有晶振，但是我不想用外部，就想用内部，如何处理呢？
答：
打一顿就好了，有外部不用干啥用内部呢？
上述纯属恶搞自己，被坑过。。。
因为内部时钟不准！！！测试内部时钟在使用定时器时会有偏差，本人在此吃过亏。此问题在STM32F031和GD32E230中均有体现。但是USART和SPI通信是正常的，即使我用的2.5M波特率的USART和8M的SPI。
解决办法，上述代码不用动，添加如下代码。

通过注释原文
RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
并添加
RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);可默认之以内部时钟方式启动。
注意在主函数加上SystemInit();函数哦！！！
最终代码如下：

static void SetSysClockTo72(void)
{__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;/* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    /* Enable HSE */    
//  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);/*取消改行注释并注释上文，可默认启动内部时钟*/RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */do{HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;StartUpCounter++;  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET){HSEStatus = (uint32_t)0x01;}else{HSEStatus = (uint32_t)0x00;}  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01){/* Enable Prefetch Buffer */FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;/* Flash 2 wait state */FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    /* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK2 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;/* PCLK1 = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;#ifdef STM32F10X_CL/* Configure PLLs ------------------------------------------------------*//* PLL2 configuration: PLL2CLK = (HSE / 5) * 8 = 40 MHz *//* PREDIV1 configuration: PREDIV1CLK = PLL2 / 5 = 8 MHz */RCC->CFGR2 &= (uint32_t)~(RCC_CFGR2_PREDIV2 | RCC_CFGR2_PLL2MUL |RCC_CFGR2_PREDIV1 | RCC_CFGR2_PREDIV1SRC);RCC->CFGR2 |= (uint32_t)(RCC_CFGR2_PREDIV2_DIV5 | RCC_CFGR2_PLL2MUL8 |RCC_CFGR2_PREDIV1SRC_PLL2 | RCC_CFGR2_PREDIV1_DIV5);/* Enable PLL2 */RCC->CR |= RCC_CR_PLL2ON;/* Wait till PLL2 is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLL2RDY) == 0){}/* PLL configuration: PLLCLK = PREDIV1 * 9 = 72 MHz */ RCC->CFGR &= (uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL);RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL9); 
#else    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |RCC_CFGR_PLLMULL));RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL16);
#endif /* STM32F10X_CL *//* Enable PLL */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* Wait till PLL is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* Select PLL as system clock source */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* Wait till PLL is used as system clock source */while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}}else{ /* Enable Prefetch Buffer */FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;/* Flash 2 wait state */FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;          /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; /*PLLCLK=8/2*13=52MHz   设置倍频得到时钟源PLL的频率*/RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL16;/* PLL不分频输出  */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* 使能 PLL时钟 */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* 等待PLL时钟就绪*/while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}}
}

在STM32F030或者STM32F031中同样可以做类似操作：

static void SetSysClock(void)
{__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;/* SYSCLK, HCLK, PCLK configuration ----------------------------------------*//* Enable HSE */   RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);//修改为内部晶振        
//        RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);/* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */do{HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;StartUpCounter++;  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET){HSEStatus = (uint32_t)0x01;}else{HSEStatus = (uint32_t)0x00;}  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01){/* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;/* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;/* PLL configuration = HSE * 6 = 48 MHz */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL7);/* Enable PLL */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* Wait till PLL is ready */while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* Select PLL as system clock source */RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    /* Wait till PLL is used as system clock source */while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL){}}else{ /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock configuration. User can add here some code to deal with this error */// HSI 内部时钟做为PLL时钟源并配置PLL 56M做为系统时钟/* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;/* HCLK = SYSCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;/* PCLK = HCLK */RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;// PLL configuration = (HSI/2) * 12 = 48 MHzRCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, RCC_PLLMul_14); // 8M/2 * 14 = 56M/* Enable PLL */RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;/* Wait till PLL is ready */while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}/* Select PLL as system clock source */RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); // PLL 做系统时钟/* Wait till PLL is used as system clock source */while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL){}}  
}

在STM32F103中，使用内部晶振，最大时钟频率也只能到64M，受倍频因子的影响嘛，最大只能倍频16倍。 但是在STM32F031中，标准使用内部时钟主频只有48M，但是我们仍然可以继续倍频，用内部时钟进行超频达到64M。在我们的产品中就用过内部超频到56M，USART和SPI长时间无问题。
而GD32E230因为其高达32的倍频因子，内部时钟可以倍频到128M。

但是这种几分钟内没有明显发热现象，不敢做长时间测试，现在MCU有点小贵。干费一个就心疼。
总之，无论ST还是国产，其主频更适合在规定的范围内运行，但是跑极限在短时间内也没有很大的问题。这些数据仅供参考。
至此单片机时钟讲解就结束了，没有多少理论性的东西，主要是解决一些时钟使用时的问题，自己也总是忘，留帖一篇作为自省。
此帖中所有代码都经过本人测试，运行无任何问题，但是对于问题的阐述或者一些见解可能有错误，欢迎大佬们批评指正，一定接受各种批评，努力完善。