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STM32单片机时钟系统详解：从基础概念到具体配置

创作时间:

作者:

@小白创作中心

STM32单片机时钟系统详解：从基础概念到具体配置

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/weixin_64192009/article/details/144961439

本文主要介绍STM32单片机的时钟系统，重点讲解了STM32F1系列的时钟树结构、相关配置函数以及系统时钟配置步骤。内容详尽，包含具体代码示例和时钟树图，适合对STM32单片机感兴趣的开发者阅读。

一、什么是时钟？

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。
时钟对单片机来说就像脉搏一样重要，在单片机中起着至关重要的作用。搞懂时钟走向及关系是很有必要的。

二、STM32F1

1. 时钟树图

从长竖线下来左右两边分别是芯片外部和芯片内部。

（1）两组引脚：外部时钟源

OSC_OUT、OSC_IN：外部高速晶振所连接的引脚
OSC32_OUT、OSC32_IN：外部低速晶振所连接的引脚

（2）四个时钟源

一般我们选用（8MHz）HSE作为时钟源，材料一般是石英晶体（LSE的材料一般也是石英）。

H：high L：low S：speed I：internal E：external

实物图：

时钟源优缺点：

外部：成本高、稳定性高

内部：成本低、不太稳定

（3）时钟树图说明

① 当HSI被用于作为PLL时钟的输入时，系统时钟能得到的最大频率是64MHz。

② 用户可通过多个预分频器配置AHB、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)域的频率。AHB和 APB2域的最大频率是72MHz。APB1域的最大允许频率是36MHz。

③ SDIO接口的时钟频率固定为HCLK/2。

④ RCC（复位和时钟控制）通过AHB时钟(HCLK)8分频后作为Cortex系统定时器(SysTick)的外部时钟。通过对SysTick 控制与状态寄存器的设置，可选择上述时钟或Cortex(HCLK)时钟作为SysTick时钟。（系统嘀嗒定时器）

⑤ ADC时钟由高速APB2时钟经2、4、6或8分频后获得。ADCCLK最大14MHz

72MHz/6=12MHz

⑥ 定时器时钟频率分配由硬件按以下2种情况自动设置：APB1和APB2线上的TIM频率都是72MHz

如果相应的APB预分频系数是1，定时器的时钟频率与所在APB总线频率一致。
否则，定时器的时钟频率被设为与其相连的APB总线频率的2倍。

TIM1和TIM8是高级定时器；TIM6和TIM7是基本定时器；TIM2~TIM5是通用定时器。

⑦ FCLK是Cortex™-M3的自由运行时钟。详情见ARM的Cortex™-M3技术参考手册。

⑧ 内核的：AHB总线上的外设，SDIO、FSMC、存储器和DMA

2. STM32F103时钟树简图

高频部分：

如上图所示，系统时钟的来源均来自高频部分（HSE、HSI和PLL（锁相环输出）），一般我们选择PLLCLK（锁相环输出）作为系统时钟来源。

①、内核时钟来源是HCLK（AHB总线时钟，72MHz），部分外设（SDIO、DMA、FSMC、Flash等）时钟来源也来自HCLK，即挂载在AHB总线上。

②、挂载在APB1、APB2上的外设的基础频率分别是36MHz和72MHz，但是外设的具体时钟频率是多少还要看：进入这个外设之前有无分频器、倍频器，进入之后，里面有无预分频器。

低频部分：

LSE：是RTC实时时钟的主要来源（优选）；

LSI：主要用于给独立看门狗（IWDG）和RCT提供时钟，（RC振荡器不是很精准）。

（RTC时钟来源，优选LSE，次选HSE/128分频，最后才选LSI。）

其他说明：

（1）、SYSCLK官方最大为72MHz，但是可以超频（暂不考虑）。

（2）、如果选择时钟源是HSI（8M），8MHz/2*16=64MHz（最大），系统时钟是得不到72MHz的。

3. 相关函数解析

（1）HAL_RCC_OscConfig()

Osc（振荡器）

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef  *RCC_OscInitStruct)
// RCC_OscInitTypeDef结构体成员
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结构体成员
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;

这个函数主要就是对RCC_OscInitTypeDef这个结构体的一些配置，主要是对时钟源和锁相环的配置。

（2）HAL_RCC_ClockConfig()

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef  *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency)
// RCC_ClkInitTypeDef结构体成员
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;
// uint32_t FLatency 参数选择 
#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，请参考《 STM32F10xxx闪存编程参考手册.pdf 》3.1小节

我们一般用的是72MHz的主频，所以是选择两个等待状态，010：FLASH_LATENCY_2

这个函数主要是用来配置系统时钟及时钟源的选择，配置进入AHB总线、APB1、APB2时钟线前的预分频器的配置，进而配置正确的频率HCLK（72MHz）、PCLK1（36MHz）、PCLK2（72MHz）。

为什么要设置FLatency参数？

Flash的时钟来源是AHB上的72MHz，但Flash本身最大均需24MHz，所以使用72MH访问Flash需要等待。

（3）__HAL_RCC_PPP_CLK_ENABLE()

PPP：代表具体的外设，如GPIOA、GPIOB、USART1、ADC、......等。

表示使能某个具体的外设时钟，这个函数对应下图的操作。

我们要使用某个外设，必需先使能该外设时钟！！！

与之对应的就是失能时钟函数：

__HAL_RCC_PPP_CLK_DISABLE(); /* 禁止 PPP 时钟 */

4. 系统时钟配置步骤

SystemInit()函数的调用说明：

在启动文件内的Reset Handle复位中断服务函数中调用

SystemInit()内只配置了总段向量所在位置，并没有配置适中相关的，所以对F103来，可不调用，而在有些系列，他可能还对单片机的时钟系统相关的寄存器进行复位（H7系列，必须调用），不同版本的库，做的事不一样。

（1）代码段

// stm32f1xx_hal_conf.h
#if !defined  (HSE_VALUE)
  #define HSE_VALUE    8000000U /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */
/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};                   // 振荡器结构体变量初始化
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};                   // 时钟结构体变量初始化
  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;    // 振荡器类型为HSE
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;                      // HSE使能
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;       // HSE预分频值为1：8MHz/1=8MHz
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;                      // HSI使能
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;                  // PLL锁相环使能
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;          // PLL锁相环时钟源为HSE
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;                  // PLL锁相环倍频系数为9：8MHz*9=72MHz
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)           // 初始化振荡器配置
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks 初始化CPU、AHB和APB总线时钟
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK     // 要配置的时钟：HCLK、SYSCLK、PCLK1、PCLK2
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;                 // 系统时钟源为PLL锁相环时钟
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;                        // AHB时钟分频系数为1：72MHz/1=72MHz
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;                         // APB1时钟分频系数为2：72MHz/2=36MHz
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;                         // APB2时钟分频系数为1：72MHz/1=72MHz
  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)   // 初始化时钟配置
  {
    Error_Handler();
  }
}