STM32F103系统时钟配置

news2024/11/24 6:14:24

时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。时钟系统就是CPU的脉搏，决定CPU速率，像人的心跳一样 只有有了心跳，人才能做其他的事情，而单片机有了时钟，才能够运行执行指令，才能够做其他的处理 (点灯，串口，ADC)，时钟的重要性不言而喻。

一、STM32F103时钟介绍

STM32F103本身十分复杂，外设非常多 但我们实际使用的时候只会用到有限的几个外设，使用任何外设都需要时钟才能启动，但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率，为了兼容不同速度的设备，有些高速，有些低速，如果都用高速时钟，势必造成浪费 并且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的MCU都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。所以便有了STM32F103的时钟系统和时钟树。

1.1 系统时钟

系统时钟(SYSCLK)有多种选择，图中左边的部分就是设置系统时钟使用那个时钟源；

  • HSI振荡器时钟：HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz，精度不高；
  • HSE振荡器时钟：HSE是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz；
  • PLL时钟；其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz；

系统时钟的右边，则是系统时钟通过AHB预分频器，给相对应的外设设置相对应的时钟频率.

从左到右可以简单理解为 各个时钟源--->系统时钟来源的设置--->各个外设时钟的设置。

在我们使用的STM32F103F103开发板中：

  • OSC32_IN、OSC32_OUT连接了32.768kHz的晶振，用于给RTC提供时钟信号；
  • OSC_IN、OSC_OUT连接了8MHz的晶振，作为系统时钟的来源。

Keil编写程序是默认的时钟为72Mhz，其实是这么来的：

  • 外部晶振(HSE)提供的8MHz通过PLLXTPRE分频器后；
  • 进入PLLSRC选择开关；
  • 进而通过PLLMUL锁相环进行倍频(x9)后，为系统提供72MHz的系统时钟(SYSCLK)；
  • 之后是AHB预分频器对时钟信号进行分频，然后为低速外设提供时钟。
1.2 USB时钟

STM32F103中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL输出端获取(唯一的)，可以选择为1.5分频或者1分频，也就是，当需要使用USB模块时，PLL必须使能，并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。

1.3 时钟输出到外部

STM32F103可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟。可以把时钟信号输出供外部使用。

1.4 外设时钟

系统时钟通过AHB分频器给外设提供时钟，AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。其中AHB分频器输出的时钟送给如下模块使用：

  • SDIO;
  • FSMC;
  • 内核总线：送给AHB总线、核心存、储器和DMA使用的HCLK时钟。；
  • Tick定时器：通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟;
  • 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK；
  • APB1外设：送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频；
    • 其输出一路供APB1外设使用(PCLK1，最大频率36MHz)；
    • 另一路送给通用定时器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2-7使用；
  • APB2外设：送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频：
    • 其输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率72MHz)；
    • 另一路送给高级定时器。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器1和定时器8使用；
    • 另外APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频；
  • 经过2分频送至SDIO的AHB。

需要注意的是，如果APB预分频器分频系数是1，则定时器时钟频率 (TIMxCLK) 为PCLKx。否则，定时器时钟频率将为APB域的频率的两倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

1.4.1 APB1和APB2的对应外设

APB1上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等；

而APB2上面连接的是高速外设，包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口(PA-Pg)、第二功能I/O(AFIO)口等。

二、时钟相关寄存器

2.1 时钟控制寄存器(RCC_CR)
2.2 时钟配置寄存器(RCC_CFGR)
2.3 时钟中断寄存器(RCC_CIR)
2.4 APB2外设复位寄存器(RCC_APB2RSTR))
2.5 APB1外设复位寄存器(RCC_APB1RSTR))
2.6 AHB外设使能寄存器(RCC_AHBENR)
2.7 APB2外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)
2.8 APB1外设时钟使能寄存器(RCC_APB1ENR)

三、时钟配置源码

3.1 RCC_TypeDeff

RCC寄存器结构RCC_TypeDeff，在文件stm32f10x_map.h中定义如下：

/*------------------------ Reset and Clock Control ---------------------------*/
typedef struct
{
  vu32 CR;	     // 时钟控制寄存器 ；
  vu32 CFGR;	 // 时钟配置寄存器 ；
  vu32 CIR;		 // 时钟中断寄存器 ；
  vu32 APB2RSTR; // APB2外设复位寄存器 ；
  vu32 APB1RSTR; // APB1外设复位寄存器 ；
  vu32 AHBENR;	 // AHB外设时钟使能寄存器 ；
  vu32 APB2ENR;	 // APB2外设时钟使能寄存器 ；
  vu32 APB1ENR;	 // APB1外设时钟使能寄存器 ；
  vu32 BDCR;	 // 备份域控制寄存器 ；
  vu32 CSR;		 // 控制/状态寄存器 ；
} RCC_TypeDef;

#define RCC_BASE              (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)

#ifdef _RCC
  #define RCC                 ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
#endif /*_RCC */

在第二节中我们已经对RCC_TypeDef结构体中定义的大部分结构体进行了详细的介绍，那么我们如何编码去初始化这些寄存器呢？

3.2 RCC初始化

这里我们采用HSE作为系统时钟输出，正常使用的时候也都是使用外部时钟。其初始化流程如下：

(1) APB1外设复位，复位结束；

  • RCC_APB1RSTR寄存器每一位写入1，然后再写入0；

(2) APB2外设复位，复位结束；

  • RCC_APB2RSTR寄存器每一位写入1，然后再写入0；

(3)AHB开启SRAM、闪存(睡眠模式时)；

(4)APB1外设时钟关闭；

  • RCC_APB1ENR寄存器每一位写入0；

(5)APB2外设时钟关闭；

RCC_APB2ENR寄存器每一位写入0；

(6)复位MCO、USBPRE、PLLMUL、PLLXTRRE、PLLSRC、ADCPRE、PPRE2、PPRE1、HPRE、SW；PLLON、CSSON、HSEBYP、HSEON；

  • RCC_CR寄存器相应位写入0；
  • RCC_CFGR寄存相应位写入0；

(7) 设置：

  • HSEON使能：开启高速外部时钟信号，即设置RCC_CR寄存器的位16为1；
  • 等待HSERDY就绪：即等待RCC_CR寄存器位17置1；
  • 设置APB1、APB2、AHB分频系数、PLL倍频系数；
    • 系统时钟为72MHz：PLL倍频系数设置为9，即RCC_CFGR寄存器位[21:18]设置为0111b；
    • AHB预分频器设置为1分频：即RCC_CFGR寄存器位[7:4]设置为0xxxb；
    • APB1预分频器由RCC_CFGR寄存器位[10:8]设置；如果设置为2分频，则时钟频率为36MHz；
    • APB2预分频器由RCC_CFGR寄存器位[13:11]设置；如果设置为1分频，则时钟频率为72MHz；
  • 设置PLLSRC：选择HSE时钟作为PLL输入时钟；
    • 设置HSE时钟作为PLL输入时钟，即RCC_CFGR寄存器位16设置为1；
  • PLL使能：即设置RCC_CR寄存器的位24为1；
  • 等待PLL就绪：即等待RCC_CR寄存器位25置1；
  • 设置SW：系统时钟切换PLL作为系统时钟，即设置RCC_CFGR寄存器的位[1:0]为10b；
  • 等待PLL切换为系统时钟输入源：即等待RCC_CFGR寄存器的位[3:2]为10b。
3.2.1 STM32_Clock_Init
/*****************************************************************************************************
 *
 *	   Description:系统时钟初始化
       PLL        ：倍频系数 2~16    
 *					APB1设置为2分频，APB2设置为1分频，AHB设置为1分频
 *                  设置PLLCLK作为系统时钟
 *
 ****************************************************************************************************/
 void STM32_Clock_Init(u8  PLL)
 {
 	 u8 temp=0;
	 RCC_Init();                             //复位并配置向量表
 	 RCC->CR |=0x00010000;                   //外部高速时钟使能HSEON：即外部晶振(4MHZ~16MHZ)
	 while(!(((RCC->CR>>17)&0x01)==0x01));   //等待外部时钟就绪
	 RCC->CFGR = 0x00000400;                 //APB1设置为2分频，APB2设置为1分频，AHB设置为1分频
	 PLL-=2;                                 //抵消两个单元
	 RCC->CFGR|=PLL<<18;                     //设置PLL的值2~16      
 	 RCC->CFGR|=1<<16;                       //PLLSRC ON  HSE时钟作为PLL输入时钟
	 FLASH->ACR |= 0x32;                     //FLASH两个延时周期
	 RCC->CR|=0x01000000;                    //PLLON
	 while(!(((RCC->CR>>25)&0x01)==0x01));   //等待PLL锁定
	 RCC->CFGR|=0x02;                        //PLL作为系统时钟
	 while(temp!=0x02)                       //等待PLL作为系统时钟设置成功
	 {
	     temp = RCC->CFGR>>2;
		 temp&=0x03;
	 }     
 }

我们只需要在 main函数开始调用该函数，传入参数9，即可设置系统时钟为72MHz。

STM32_Clock_Init(9);         	          //系统时钟初始化
3.2.2 RCC_Init
/*****************************************************************************************************
 *
 *	   Description:复位外设，并关断所有中断，同时配置中断向量表
 *					APB1RST:APB1外设复位寄存器 0：无效      1：复位外设
 	                APB1RST:APB2外设复位寄存器 0：无效      1：复位外设
					AHBENR :AHB 外设时钟使能寄存器 
					CR      :时钟控制寄存器
					CFGR    :时钟配置寄存器
					ICR     :中断标志寄存器
 *
 ****************************************************************************************************/
void RCC_Init(void)
{
       RCC->APB1RSTR = 0x00;         //APB1外设初始化复位结束 
	   RCC->APB2RSTR = 0x00;         //APB2外设初始化复位结束
	   RCC->AHBENR   = 0x14;         //睡眠模式时闪存接口电路时钟开启，睡眠模式时SRAM时钟开启,DMA时钟关闭
	   RCC->APB2ENR = 0x00;          //APB2总线上外设时钟关闭
	   RCC->APB1ENR = 0x00;          //APB1总线上外设时钟关闭
	   RCC->CFGR    &= 0xF8000000;   //复位SW[3：0],HPRE[3:0],PPRE1[2:0],PPRE2[2:0]，ADCPRE[1:0],MCO[2:0],PLLSRC,PLLXTPRE,PLLMUL[3：0],USBPRE  
	   RCC->CR      &= 0xFEF2FFFF;   //复位HSEON,CSSON,PLLON,HSEBYP    
	   RCC->CIR      = 0x00000000;   //关闭所有中断
	   
	   /********** 配置中断向量表 ***********************/
	   #ifdef VECT_TAB_RAM
	      NVIC_SetVectorTable(0x20000000,0x00);
	   #else
	      NVIC_SetVectorTable(0x08000000,0x00);
	   #endif
}
3.2.3 NVIC_SetVectorTable
/*****************************************************************************************************
 *
 *	   Description:设置向量表偏移地址
                    NVIC_VectorTable:基址
 					Offset：       偏移量
 ****************************************************************************************************/
void NVIC_SetVectorTable(u32 NVIC_VectorTable,u32 Offset)
{
   SCB->VTOR = NVIC_VectorTable|(Offset&(u32)0x1FFFFF80);   //设置NVIC的向量表偏移寄存器，用于标识向量表是在CODE区，还是在RAM区
}

四、源码下载

源码下载路径：stm32f103。

参考文章

[1] STM32F103时钟系统讲解

[2] Mini2440裸机开发之系统时钟配置

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