6.3 STM32F103ZE的时钟深入剖析(32M,40M,72M灵活切换)

17
ADC预分频寄存器
18
ADC外设
19
PLL2分频数寄存器
20
PLL2倍频寄存器
21
PLL 时钟源选择寄存器
22
独立看门狗设备
23
RTC 设备
在认识这颗时钟树之前，首先要明确“主干”和最终的“分支”。假设使用外部 8MHz
晶振作为 STM32 的时钟输入源（这也是最常见的一种做法），则这个 8MHz 便是“主干”，
1) 由 3 所知晶振输入为 8MHz，由○5——○21 知 PLL 的时钟源为经过分频后的外部 晶振时钟，并且此分频数为 1 分频，因此首先得出 PLL 的时钟源为：8MHz / 1 = 8MHz。
2) 由 8、9 知 PLL 倍频 9，且将 PLL 倍频后的时钟输出选择为系统时钟，则得出系统 时钟为 8MHz * 9 = 72MHz。
6.2 时钟
6.1.1 什么是时钟
从 CPU 的时钟说起。 计算机是一个十分复杂的电子设备。它由各种集成电路和电子器件组成，每一块集成电 路中都集成了数以万计的晶体管和其他电子元件。这样一个十分庞大的系统，要使它能够正 常地工作，就必须有一个指挥，对各部分的工作进行协调。各个元件的动作就是在这个指挥 下按不同的先后顺序完成自己的操作的，这个先后顺序我们称为时序。时序是计算机中一个 非常重要的概念，如果时序出现错误，就会使系统发生故障，甚至造成死机。那么是谁来产 生和控制这个操作时序呢？这就是“时钟”。“时钟”可以认为是计算机的“心脏”，如同人 一样，只有心脏在跳动，生命才能够继续。不要把计算机的“时钟”等同于普通的时钟，它 实际上是由晶体振荡器产生的连续脉冲波，这些脉冲波的幅度和频率是不变的，这种时钟信 号我们称为外部时钟。它们被送入 CPU 中，再形成 CPU 时钟。不同的 CPU，其外部时钟 和 CPU 时钟的关系是不同的，下表列出了几种不同 CPU 外部时钟和 CPU 时钟的关系。 CPU 时钟周期通常为节拍脉冲或Ｔ周期，它是处理操作的最基本的单位。 在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位——节拍脉冲二级体制。就 是说它只要一个节拍电位，在节拍电位又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。节拍电位表示 一个ＣＰＵ周期的时间，而节拍脉冲把一个ＣＰＵ周期划分为几个叫较小的时间间隔。根据 需要这些时间间隔可以相等，也可以不等。 指令周期是取出并执行一条指令的时间。 指令周期常常有若干个ＣＰＵ周期，ＣＰＵ周期也称为机器周期，由于ＣＰＵ访问一次 内存所花费的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定ＣＰＵ周期。 这就是说，这就是说一条指令取出阶段（通常为取指）需要一个ＣＰＵ周期时间。而一个Ｃ ＰＵ周期时间又包含若干个时钟周期（通常为节拍脉冲或Ｔ周期，它是处理操作的最基本的 单位）。这些时钟周期的总和则规定了一个ＣＰＵ周期的时间宽度。
4. LSE 是低速外部时钟，接频率为 32.768kHz 的石英晶体，也可以被用来驱动 RTC，时钟 树的截图如下：
5. PLL 为锁相环倍频输出，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，时钟树的截图如下：
6.1.3 STM32的时钟深入分析
对于 13，时钟到达 AHB 总线；
在上一章节中所介绍的 GPIO 外设属于 APB2 设备，即 GPIO 的时钟来源于 APB2 总线，
同样在上图中也可以寻获 GPIO 外设的时钟轨迹：
3——5——7——21——8——9——11——15——16
对于 3，首先是外部的 3-25MHz（前文已假设为 8MHz）输入；
6.1.4 例程01 STM32芯片32MHZ频率下跑点灯程序
1. 示例简介 让点灯程序在时钟主频 32MHz 下面运行，LED 灯的正极接的是 3.3V 电源，所以我们编 程让 LED 负极拉低即 GPIO 引脚端口 F 的管脚 6 拉低，即 PF6 拉低，那么 LED 灯就会 变亮，相关电路图如下图所示：
3
外部高速振荡器（HSE，3-25MHz）
4
内部高速振荡器（HSI，8MHz）
5
PLL输入选择位
6
RTC时钟选择位
7
PLL1分频数寄存器
8
PLL1倍频寄存器
9
系统时钟选择位
10

USB分频寄存器
11
AHB分频寄存器
12
APB1分频寄存器
13
AHB总线
14
APB1外设总线
15
APB2分频寄存器
16
APB2外设总线
众所周知，微控制器（处理器）的运行必须要依赖周期性的时钟脉冲来驱动——往往由 一个外部晶体振荡器提供时钟输入为始，最终转换为多个外部设备的周期性运作为末，这种 时钟“能量”扩散流动的路径，犹如大树的养分通过主干流向各个分支，因此常称之为“时 钟树”。在一些传统的低端 8 位单片机诸如 51，AVR，PIC 等单片机，其也具备自身的一个 时钟树系统，但其中的绝大部分是不受用户控制的，亦即在单片机上电后，时钟树就固定在 某种不可更改的状态（假设单片机处于正常工作的状态）。比如 51 单片机使用典型的 12MHz 晶振作为时钟源，则外设如 IO 口、定时器、串口等设备的驱动时钟速率便已经是固定的， 用户无法将此时钟速率更改，除非更换晶振。
2. 调试说明： 下载代码，并且按下【复位】键，在神舟 III 号板上找到 DS1，可以看到该 DS1 灯一亮
一灭。
3. 关键代码： /************ *******/ int main(void) //main 是程序入口 { /**** 程序总共 2 部分之第 1 部分 时钟频率的配置 {开始 *******/
3) 时钟到达 AHB 预分频器，由 11 知时钟经过 AHB 预分频器之后的速率仍为 72MHz。 4) 时钟到达 APB2 预分频器，由 15 经过 APB2 预分频器后速率仍为 72MHz。 5) 时钟到达 APB2 总线外设 上面是原理的剖析，如果再不明白的，可以接下来看例程代码，理论联系实践是最好的老师。
/** 以下是关于 RCC 时钟 详细请见《STM32F10XXX 参考手册》6.3 节 RCC 寄存器描述**/ unsigned char sws = 0; RCC->CR |= 0X00010000; //使能外部高速时钟 HSEON //将 RCC_CR 寄存器的值右移 17 位，等待 HSERDY 就绪，即外部时钟就绪 while(!(RCC->CR>>17));
对于 7，设置外部晶振的分频数（假设 1 分频）；
对于 21，选择 PLL 倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；
对于 8，设置 PLL 倍频数（假设 9 倍频）；
对于 9，选择系统时钟源（假设选择经过 PLL 倍频所输出的时钟）；
对于 11，设置 AHB 总线分频数（假设 1 分频）；
对于 5， 通过 PLL 选择位预先选择后续 PLL 分支的输入时钟（假设选择外部晶振）；
对于 7，设置外部晶振的分频数（假设 1 分频）；
对于 21，选择 PLL 倍频的时钟源（假设选择经过分频后的外部晶振时钟）；
对于 8，设置 PLL 倍频数（假设 9 倍频）； 对于 9，选择系统时钟源（假设选择经过 PLL 倍频所输出的时钟）； 对于 11，设置 AHB 总线分频数（假设 1 分频）； 对于 15，设置 APB2 总线分频数（假设 1 分频） 对于 16，时钟到达 APB2 总线； 现在来计算一下 GPIO 设备的最大驱动时钟速率（各个条件已在上述要点中假设）：
而 STM32 微控制器的时钟树则是可配置的，其时钟输入源与最终达到外设处的时钟速
率不再有固定的关系，下面来详细解析 STM32 微控制器的时钟树。下图是 STM32 微控制 器的时钟树：
下表是结合图表明出来的： 标号
释义
1
内部低速振荡器（LSI，40Khz）
2
外部低速振荡器（LSE，32.768Khz）
6.1.2 STM32的时钟
系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部 8MHZ 的 RC 振荡器被选为默认的 CPU 时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的 4-16MHZ 时钟；当检测到外部时钟失效时，它 将被隔离，系统将自动地切换到内部的 RC 振荡器。
在 STM32 中，有五个时钟源，为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，它们都是时钟所提供 的来源： 1. HSI 是高速内部时钟，RC 振荡器，频率默认为 8MHz，可以从 STM32 时钟树中看到
6.2 时钟...............................................................................................................................2 6.1.1 什么是时钟.......................................................................................................2 6.1.2 STM32 的时钟..................................................................................................2 6.1.3 STM32 的时钟深入分析..................................................................................3 6.1.4 例程 01 STM32 芯片 32MHZ频率下跑点灯程序 ..........................................6 6.1.5 例程 02 STM32 芯片 40MHZ频率下跑点灯程序 ........................................12 6.1.6 例程 03 STM32 芯片 72MHZ频率下跑点灯程序 ........................................13