06-stm32时钟体系

一、时钟体系

1、概念

1.时钟信号：是一种周期性的电信号，例如为方波，正弦波，余弦波等各种波形，用于同步数字电路中的各种操作，它控制着数据的传输以及电路状态的变化。

 2、时钟系统在 STM32 的系统中扮演着关键的角色，它的稳定性和精度对整个系统的性能影响很大。STM32 的时钟系统由外部晶振、PLL（锁相环）和内部 RC 振荡器组成。

3、时钟系统的作用：

• 为处理器提供准确的时钟信号，保证处理器、总线和外设的正确工作。
• 通过 PLL 的倍频功能，产生多种频率的时钟信号，满足不同外设的时钟需求。
• 通过时钟系统提供的时钟分频器、预分频器等功能，进一步调整时钟频率，以适应不同的应用场景。

 4、时钟源分类

1.晶振（Crystal Oscillator）：电路设计时，它在在芯片外部，最常见的时钟源之一，通过石英晶体的机械振动来产生非常稳定和精确的频率。它可以产生方波，类似于人体的心脏。提供脉搏的，而它是给CPU提供波形。

 

2. RC振荡器

3.PLL：相位锁定环可以用来调整时钟信号的频率和相位，或者从一个较低频率的时钟信号生成多个较高频率的时钟信号。

2、STM32主要的时钟源

1、内部RC振荡器 (HSI，High Speed Internal)即HSI

• 描述: HSI是一个出厂预校准的内部RC振荡器，在STM32F407中默认频率为16 MHz。
• 用途: 适用于开发初期调试、低功耗应用或者不需要高精度时钟的应用。
• 特点: 不需要外部晶体，成本较低，启动速度快。

 

2、 外部高速时钟 (HSE，High Speed External):

• 描述: HSE是通过外部晶体或陶瓷谐振器提供的时钟源，其频率取决于所选的晶体。
• 用途: 适用于需要高精度和稳定性的应用，如通信接口、实时操作系统等。
• 特点: 需要外部元件，启动速度较慢，但精度较高。

3、内部低速振荡器 (LSI，Low Speed Internal)

• 描述: LSI是一个内部RC振荡器，通常用于RTC、备份域时钟、内部独立看门狗。
• 用途: 适用于低功耗模式下维持时间或计数。
• 特点: 不需要外部元件，但精度较差。

 

4、外部低速时钟 (LSE，Low Speed External):

• 描述: LSE是通过外部晶体或谐振器提供的低速时钟源，通常用于RTC或备份域时钟。
• 用途: 适用于需要精确计时的应用，如实时时钟RTC。
• 特点: 需要外部元件，但提供较高的精度。

 

3、时钟频率单位

1、时钟频率单位：GHZ MHZ KHZ HZ

1HZ即1秒产生一个方波、 正弦波等波形。

单位换算:1GHZ = 1000MHZ = 1000 000KHZ = 1000 000 000HZ

频率越高，CPU/MCU的性能越强.（其他条件同等的情况下）

 4、STM32微控制器的时钟源应用场景

🔸低功耗应用:

• 使用HSI作为主要时钟源，因为它不需要外部晶体并且启动迅速。
• 在深度睡眠模式下，可以仅保留LSI来维护RTC计时。

🔸实时操作系统 (RTOS):

• 使用HSE作为主要时钟源，因为它提供更准确的时间基准。
• 可以配置PLL来获得更高的系统时钟频率，以满足RTOS任务调度的需求。

🔸高速数据采集:

• 使用HSE结合PLL来达到最高的系统时钟频率（例如168 MHz）。
• 这样的配置可以提高ADC、DAC以及其他高速外设的采样率。

🔸无线通信接口:

• 对于需要精确时钟同步的接口（如USB OTG FS/HS、SDIO等），通常需要使用PLL输出的时钟。
• HSE通常是这类应用的首选时钟源，因为它的稳定性和精度更好。

🔸实时时钟 RTC:

• RTC通常由LSE驱动，以确保即使在主电源关闭的情况下也能保持时间准确。

 二、时钟树结构

1、结构如下：

STM32F407的时钟树结构如下：

HSI / HSE Oscillator

• HSI和HSE振荡器为系统提供了主时钟源。
• HSI默认启用，而HSE需要通过软件手动启用。

PLL (Phase Locked Loop)

• PLL可以从HSE、HSI作为输入源，输出频率可以配置。
• STM32F407的PLL可以为系统时钟提供高达168MHz的频率。

AHB Prescaler

• AHB预分频器用于调整AHB总线时钟频率，它可以分频系统时钟（SYSCLK）。

APB1 Prescaler

• APB1预分频器用于调整APB1总线时钟频率，它可以进一步分频AHB总线时钟。

APB2 Prescaler

• APB2预分频器用于调整APB2总线时钟频率，它可以进一步分频AHB总线时钟。

LSI / LSE Oscillator

• LSI和LSE振荡器用于RTC和备份域。

2、时钟树框图

简图：

📣总结：

stm32对每个外设的时钟都设置了开关，让用户可以精确地控制，关闭不需要的设备，达到节省供电的目的。如果不用的就完全关闭，尽可能降低芯片功耗。

3、PLL锁相环

stm32f407配置PLL参数的公式

💡注：不同的芯片，倍频（频率翻倍）公式是不一样的，需要查询芯片手册！

三、SystemInit系统初始化函数

1、 system_stm32f4xx.c文件有以下倍频(PLL_N)与分频(PLL_M、PLL_P)因子：

由于官方的代码是使用外部高速晶振25MHz，GEC-M4开发板是使用外部高速晶振8MHz，所以PLL的倍频因子要进行修改，只修改PLL_M为8。

2.阅读system_stm32f4xx.c文件的头部注释，若需要配置SYSCLK为168MHz，按照以下参数配置。

3、设置外部高速振荡时钟频率，须去掉stm32f4xx.h的只读属性。

4、接着修改stm32f4xx.h以下内容，行127将外部晶振频率值修改为8MHz。

5、最后按照PLL的运算公式，最终得到输出频率为168MHz。

 四、时钟源

在特殊的应用场景，为了达到最高的能效比，没有必要使用到PLL，可将HSE、HSI作为系统时钟源。例如，在智能手表锁屏的情况下，如果使用PLL配置过后输出的频率会造成过多的功耗，降低自身的续航能力；同时要维持计步与测量心率功能。因此，PLL在锁屏下的应用场景并不合适，在保证功能实现的前提下，尽可能降低功耗，可以切换频率更低的时钟源提供给系统时钟。