2019年02月12日 | 【stm32f407】时钟树以及SystemInit剖析

一. 时钟树

众所周知，时钟系统是CPU的脉搏，就像人的心跳一样。所以时钟系统的重要性就不言而喻了。 STM32F4的时钟系统比较复杂，不像简单的51单片机一个系统时钟就可以解决一切。于是有人要问，采用一个系统时钟不是很简单吗？为什么STM32要有多个时钟源呢？因为首先STM32本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及RTC只需要几十k的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的MCU一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

首先让我们来看看STM32F4的时钟系统图

在STM32F4中，有5个最重要的时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。其中PLL实际是分为两个时钟源，分别为主PLL和专用PLL。从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，在这5个中HSI，HSE以及PLL是高速时钟，LSI和LSE是低速时钟。从来源可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中HSE和LSE是外部时钟源，其他的是内部时钟源。下面我们看看STM32F4的这5个时钟源，我们讲解顺序是按图中红圈标示的顺序

①、LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为32kHz左右。供独立看门狗和自动唤醒单元使用。

②、LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。这个主要是RTC的时钟源。

③、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~26MHz。HSE也可以直接做为系统时钟或者PLL输入。

④、HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为16MHz。可以直接作为系统时钟或者用作PLL输入。

⑤、PLL为锁相环倍频输出。STM32F4有两个PLL:

1） 主PLL(PLL)由HSE或者HSI提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟。

第一个输出PLLP用于生成高速的系统时钟（最高168MHz）

第二个输出PLLQ用于生成USB OTG FS的时钟（48MHz），随机数发生器的时钟和SDIO时钟。

2）专用PLL(PLLI2S)用于生成精确时钟，从而在I2S接口实现高品质音频性能。

这里我们着重看看主PLL时钟第一个高速时钟输出PLLP的计算方法。如图：

主PLL时钟的时钟源要先经过一个分频系数为M的分频器，然后经过倍频系数为N的倍频器出来之后的时候还需要经过一个分频系数为P（第一个输出PLLP）或者Q（第二个输出PLLQ）的分频器分频之后，最后才生成最终的主PLL时钟。

例如我们的外部晶振选择8MHz。同时我们设置相应的分频器M=8，倍频器倍频系数N=336，分频器分频系数P=2，那么主PLL生成的第一个输出高速时钟PLLP为：

PLL=8MHz* N/ (M*P)=8MHz* 336 /(8*2) = 168MHz

如果我们选择HSE为PLL时钟源，同时SYSCLK时钟源为PLL，那么SYSCLK时钟

为168MHz。这对于我们后面的实验都是采用这样的配置

上面我们简要概括了STM32的时钟源，那么这5个时钟源是怎么给各个外设以及系统提供时钟的呢？这里我们选择一些比较常用的时钟知识来讲解。

图1中我们用A~G标示我们要讲解的地方。

A.  这里是看门狗时钟输入。从图中可以看出，看门狗时钟源只能是低速的LSI时钟。

B.  这里是RTC时钟源，从图上可以看出，RTC的时钟源可以选择LSI，LSE，以及

HSE分频后的时钟，HSE分频系数为2~31。

C.  这里是STM32F4输出时钟MCO1和MCO2。MCO1是向芯片的PA8引脚输出时钟。它有四个时钟来源分别为：HSI,LSE,HSE和PLL时钟。MCO2是向芯片的PC9输出时钟，它同样有四个时钟来源分别为：HSE,PLL，SYSCLK以及PLLI2S时钟。MCO输出时钟频率最大不超过100MHz。

D.  这里是系统时钟。SYSCLK系统时钟来源有三个方面：HSI,HSE和PLL。在我们实际应用中，因为对时钟速度要求都比较高我们才会选用STM32F4这种级别的处理器，所以一般情况下，都是采用PLL作为SYSCLK时钟源。根据前面的计算公式，大家就可以算出你的系统的SYSCLK是多少。

E.  这里我们指的是以太网PTP时钟，AHB时钟，APB2高速时钟，APB1低速时钟。这些时钟都是来源于SYSCLK系统时钟。其中以太网PTP时钟是使用系统时钟。AHB,APB2和APB1时钟是经过SYSCLK时钟分频得来。这里大家记住，AHB最大时钟为168MHz, APB2高速时钟最大频率为84MHz,而APB1低速时钟最大频率为42MHz。

F.  这里是指I2S时钟源。I2S的时钟源来源于PLLI2S或者映射到I2S_CKIN引脚的外部时钟。I2S出于音质的考虑，对时钟精度要求很高。STM32F4开发板使用的是内部PLLI2SCLK。

G.  这是STM32F4内部以太网MAC时钟的来源。对于MII接口来说，必须向外部PHY芯片提供25Mhz的时钟，这个时钟，可以由PHY芯片外接晶振，或者使用STM32F4 的MCO输出来提供。然后，PHY 芯片再给STM32F4提供ETH_MII_TX_CLK和ETH_MII_RX_CLK时钟。对于RMII接口来说，外部必须提供50Mhz的时钟驱动PHY和STM32F4的ETH_RMII_REF_CLK，这个50Mhz时钟可以来自PHY、有源晶振或者STM32F4的MCO。我们的开发板使用的是RMII 接口，使用PHY 芯片提供50Mhz时钟驱动STM32F4 的

ETH_RMII_REF_CLK。

H.  这里是指外部PHY提供的USB OTG HS（60MHZ）时钟。

二. STM32F4时钟初始化配置

STM32F4时钟系统初始化是在system_stm32f4xx.c中的SystemInit()函数中完成的。对于系

统时钟关键寄存器设置主要是在SystemInit函数中调用SetSysClock()函数来设置的。我们可以先看看SystemInit ()函数体：

 void SystemInit(void)

{

  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/

  #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)

    SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */

  #endif

  /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/

  /* Set HSION bit */

  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;

  /* Reset CFGR register */

  RCC->CFGR = 0x00000000;

  /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */

  RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;

  /* Reset PLLCFGR register */

  RCC->PLLCFGR = 0x24003010;

  /* Reset HSEBYP bit */

  RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

  /* Disable all interrupts */

  RCC->CIR = 0x00000000;

#ifdef DATA_IN_ExtSRAM

  SystemInit_ExtMemCtl(); 

#endif /* DATA_IN_ExtSRAM */

  /* Configure the System clock source, PLL Multiplier and Divider factors, 

     AHB/APBx prescalers and Flash settings ----------------------------------*/

  SetSysClock();

  /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/

#ifdef VECT_TAB_SRAM

  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */

#else

  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */

#endif

}

SystemInit函数开始先进行浮点运算单元设置，然后是复位PLLCFGR,CFGR寄存器，同时

通过设置CR寄存器的HSI时钟使能位来打开HSI时钟。此代码就是RCC->CR |=(uint32_t)0x00000001;打开HSI振荡器

默认情况下如果CFGR寄存器复位，那么是选择HSI作为系统时钟，这点大家可以查看RCC->CFGR寄存器的位描述最低2位可以得知，当低两位配置为00的时候（复位之后），会选择HSI振荡器为系统时钟。也就是说，调用SystemInit函数之后，首先是选择HSI作为系统时钟。下面是RCC->CFGR寄存器的位1:0配置描述（CFGR寄存器详细描述请参考《STM32F4中文参考手册》6.3.31CFGR寄存器配置表）

如图：

在设置完相关寄存器后，接下来SystemInit函数内部会调用SetSysClock函数。这个函数比

较长，我们就把函数一些关键代码行截取出来给大家讲解一下。这里我们省略一些宏定义标识符值的判断而直接把针对STM32F407比较重要的内容贴出来：

/**

  * @brief  Configures the System clock source, PLL Multiplier and Divider factors, 

  *         AHB/APBx prescalers and Flash settings

  * @Note   This function should be called only once the RCC clock configuration  

  *         is reset to the default reset state (done in SystemInit() function).   

  * @param  None

  * @retval None

  */

static void SetSysClock(void)

{

/******************************************************************************/

/*            PLL (clocked by HSE) used as System clock source                */

/******************************************************************************/

  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;

  /* Enable HSE */

  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)

  {

    /* Select regulator voltage output Scale 1 mode, System frequency up to 168 MHz */

    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;

    PWR->CR |= PWR_CR_VOS;

    /* HCLK = SYSCLK / 1*/

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

    /* PCLK2 = HCLK / 2*/

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;

    /* PCLK1 = HCLK / 4*/

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;

    /* Configure the main PLL */

    RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N << 6) | (((PLL_P >> 1) -1) << 16) |

                   (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q << 24);

    /* Enable the main PLL */

    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /* Wait till the main PLL is ready */

    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)

    {

    }

    /* Configure Flash prefetch, Instruction cache, Data cache and wait state */

    FLASH->ACR = FLASH_ACR_ICEN |FLASH_ACR_DCEN |FLASH_ACR_LATENCY_5WS;

    /* Select the main PLL as system clock source */

    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));

    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;

    /* Wait till the main PLL is used as system clock source */

    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS ) != 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 */

  }

/******************************************************************************/

/*                          I2S clock configuration                           */

/******************************************************************************/

  /* PLLI2S clock used as I2S clock source */

  RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_I2SSRC;

  /* Configure PLLI2S */

  RCC->PLLI2SCFGR = (PLLI2S_N << 6) | (PLLI2S_R << 28);

  /* Enable PLLI2S */

  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_PLLI2SON);

  /* Wait till PLLI2S is ready */

  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLI2SRDY) == 0)

  {

  }

}

RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

此宏RCC_CR_HSEON定义在stm32f4xx.h中，

#define  RCC_CR_HSEON                        ((uint32_t)0x00010000)

此宏是在第16bit置1

此段代码的意思是：把外部高速时钟打开

do

  {

   HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;

   StartUpCounter++;

  }while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

#define RCC_CR_HSERDY                      ((uint32_t)0x00020000)

此段代码的意思是：在一个时间内看HSE是否就绪

RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;

PWR->CR |= PWR_CR_VOS;

#define RCC_APB1ENR_PWREN                  ((uint32_t)0x10000000)

#define PWR_CR_VOS                         ((uint16_t)0x4000)

此段代码的意思就是：使能电源时钟

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

#define RCC_CFGR_HPRE_DIV1                 ((uint32_t)0x00000000)

此段代码的意思是：不进行分频

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;

#define RCC_CFGR_PPRE2_DIV2                ((uint32_t)0x00008000)

此段代码的意思是：对AHB时钟进行2分频，所以APB2 = AHB/2

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;

#define RCC_CFGR_PPRE1_DIV4                ((uint32_t)0x00001400)

此段代码的意思是：对AHB时钟进行4分频，所以APB1 = AHB/4

RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N <

                   (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) |(PLL_Q << 24);

#define PLL_M      8

#define PLL_N      336

#define PLL_P      2

#define PLL_Q      7

#define RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE             ((uint32_t)0x00400000)

所以我们的主PLL时钟为：

PLL=8MHz * N/ (M*P)=8MHz* 336 /(8*2) =168MHz

在开发过程中，我们可以通过调整这些值来设置我们的系

RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

#define RCC_CR_PLLON                       ((uint32_t)0x01000000)

所以此段代码的意思是：把PLL开启

while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) ==0)

{}

#define  RCC_CR_PLLRDY                       ((uint32_t)0x02000000)

所以此段代码的意思是：等待PLL就绪

RCC->CFGR&= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));

RCC->CFGR |=RCC_CFGR_SW_PLL;

#define  RCC_CFGR_SW                         ((uint32_t)0x00000003)

#define  RCC_CFGR_SW_PLL                    ((uint32_t)0x00000002)  

以上是选择PLL作为系统时钟源

while((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS ) != RCC_CFGR_SWS_PLL);

    {

    }

同以上：等待就绪

I2S时钟配置

RCC->CFGR&= ~RCC_CFGR_I2SSRC;

#define  RCC_CFGR_I2SSRC                     ((uint32_t)0x00800000)

PLLI2S作为I2S时钟源

RCC->PLLI2SCFGR= (PLLI2S_N << 6) | (PLLI2S_R << 28);

#definePLLI2S_N   258

#definePLLI2S_R   3

以上代码的意思是：配置PLLI2S

RCC->CR |=((uint32_t)RCC_CR_PLLI2SON);

  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLI2SRDY) ==0)

  {

  }

#define  RCC_CR_PLLI2SON                     ((uint32_t)0x04000000)

#define  RCC_CR_PLLI2SRDY                    ((uint32_t)0x08000000)

以上代码的意思是：使能PLLI2S，并且等待就绪

另外在开发过程中，我们可以通过调整这些值来设置我们的系统时钟。

这里还有个特别需要注意的地方，就是我们还要同步修改stm32f4xx.h 中宏定义标识符

HSE_VALUE的值为我们的外部时钟：

#if !defined(HSE_VALUE)

#defineHSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */

#endif /*HSE_VALUE */

这里默认固件库配置的是25000000，我们外部时钟为8MHz，所以我们根据我们硬件情况修改为8000000即可

三. 时钟配置工具

ST公司有个配置时钟的工具，如图所示：

配置起来很方便