2019年09月18日 | 第15章 RCC—使用HSE/HSI配置时钟—零死角玩转STM32-F429系列

本章参考资料：《STM32F4xx中文参考手册》RCC章节。

学习本章时，配合《STM32F4xx中文参考手册》RCC章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

RCC ：reset clock control  复位和时钟控制器。本章我们主要讲解时钟部分，特别是要着重理解时钟树，理解了时钟树，F429的一切时钟的来龙去脉都会了如指掌。

1.1 RCC主要作用—时钟部分

设置系统时钟SYSCLK、设置AHB分频因子（决定HCLK等于多少）、设置APB2分频因子（决定PCLK2等于多少）、设置APB1分频因子（决定PCLK1等于多少）、设置各个外设的分频因子；控制AHB、APB2和APB1这三条总线时钟的开启、控制每个外设的时钟的开启。对于SYSCLK、HCLK、PCLK2、PCLK1这四个时钟的配置一般是：HCLK = SYSCLK=PLLCLK = 180M，PCLK2=HCLK/2 = 90M，PCLK1=HCLK/4 = 45M。这个时钟配置也是库函数的标准配置，我们用的最多的就是这个。

1.2 RCC框图剖析—时钟树

时钟树单纯讲理论的话会比较枯燥，如果选取一条主线，并辅以代码，先主后次讲解的话会很容易，而且记忆还更深刻。我们这里选取库函数时钟系统时钟函数：SetSysClock(); 以这个函数的编写流程来讲解时钟树，这个函数也是我们用库的时候默认的系统时钟设置函数。该函数的功能是利用HSE把时钟设置为：HCLK = SYSCLK=PLLCLK = 180M，PCLK1=HCLK/2 = 90M，PCLK1=HCLK/4 = 45M下面我们就以这个代码的流程为主线，来分析时钟树，对应的是图中的黄色部分，代码流程在时钟树中以数字的大小顺序标识。

图 151 STM32F429时钟树

1.2.1 系统时钟

1.    ①HSE高速外部时钟信号

HSE是高速的外部时钟信号，可以由有源晶振或者无源晶振提供，频率从4-26MHZ不等。当使用有源晶振时，时钟从OSC_IN引脚进入，OSC_OUT引脚悬空，当选用无源晶振时，时钟从OSC_IN和OSC_OUT进入，并且要配谐振电容。HSE我们使用25M的无源晶振。如果我们使用HSE或者HSE经过PLL倍频之后的时钟作为系统时钟SYSCLK，当HSE故障时候，不仅HSE会被关闭，PLL也会被关闭，此时高速的内部时钟时钟信号HSI会作为备用的系统时钟，直到HSE恢复正常，HSI=16M。

2.    ②锁相环PLL

PLL的主要作用是对时钟进行倍频，然后把时钟输出到各个功能部件。PLL有两个，一个是主PLL，另外一个是专用的PLLI2S，他们均由HSE或者HSI提供时钟输入信号。

主PLL有两路的时钟输出，第一个输出时钟PLLCLK用于系统时钟，F429里面最高是180M，第二个输出用于USB OTG FS的时钟（48M）、RNG和SDIO时钟（<=48M）。专用的PLLI2S用于生成精确时钟，给I2S提供时钟。

HSE或者HSI经过PLL时钟输入分频因子M（2~63）分频后，成为VCO的时钟输入，VCO的时钟必须在1~2M之间，我们选择HSE=25M作为PLL的时钟输入，M设置为25，那么VCO输入时钟就等于1M。

VCO输入时钟经过VCO倍频因子N倍频之后，成为VCO时钟输出，VCO时钟必须在192~432M之间。我们配置N为360，则VCO的输出时钟等于360M。如果要把系统时钟超频，就得在VCO倍频系数N这里做手脚。PLLCLK_OUTMAX = VCOCLK_OUTMAX/P_MIN = 432/2=216M，即F429最高可超频到216M。

VCO输出时钟之后有三个分频因子：PLLCLK分频因子p，USB OTG FS/RNG/SDIO时钟分频因子Q，分频因子R（F446才有，F429没有）。p可以取值2、4、6、8,我们配置为2，则得到PLLCLK=180M。Q可以取值4~15，但是USB OTG FS必须使用48M，Q=VCO输出时钟360/48=7.5，出现了小数这明显是错误，权衡之策是是重新配置VCO的倍频因子N=336，VCOCLK=1M*336=336M，PLLCLK=VCOCLK/2=168M，USBCLK=336/7=48M，细心的读者应该发现了，在使用USB的时候，PLLCLK被降低到了168M，不能使用180M，这实乃ST的一个奇葩设计。有关PLL的配置有一个专门的RCC PLL配置寄存器RCC_PLLCFGR，具体描述看手册即可。

PLL的时钟配置经过，稍微整理下可由如下公式表达：

VCOCLK_IN = PLLCLK_IN / M = HSE / 25 = 1M

VCOCLK_OUT = VCOCLK_IN * N = 1M * 360 = 360M

PLLCLK_OUT=VCOCLK_OUT/P=360/2=180M

USBCLK = VCOCLK_OUT/Q=360/7=51.7。暂时这样配置，到真正使用USB的时候会重新配置。

3.    ③系统时钟SYSCLK

系统时钟来源可以是：HSI、PLLCLK、HSE，具体的由时钟配置寄存器RCC_CFGR的SW位配置。我们这里设置系统时钟：SYSCLK = PLLCLK = 180M。如果系统时钟是由HSE经过PLL倍频之后的PLLCLK得到，当HSE出现故障的时候，系统时钟会切换为HSI=16M，直到HSE恢复正常为止。

4.    ④AHB总线时钟HCLK

系统时钟SYSCLK经过AHB预分频器分频之后得到时钟叫APB总线时钟，即HCLK，分频因子可以是:[1,2,4，8，16，64，128，256，512]，具体的由时钟配置寄存器RCC_CFGR的HPRE位设置。片上大部分外设的时钟都是经过HCLK分频得到，至于AHB总线上的外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗线条的设置好APB的时钟即可。我们这里设置为1分频，即HCLK=SYSCLK=180M。功能框图中的最高168M指的是F407，F429最高应该是180M，是官方中文翻译文档的一个疏忽。

5.    ⑤APB2总线时钟HCLK2

APB2总线时钟PCLK2由HCLK经过高速APB2预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR的PPRE2位设置。HCLK2属于高速的总线时钟，片上高速的外设就挂载到这条总线上，比如全部的GPIO、USART1、SPI1等。至于APB2总线上的外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗线条的设置好APB2的时钟即可。我们这里设置为2分频，即PCLK2 = HCLK /2= 90M。

6.    ⑥APB1总线时钟HCLK1

APB1总线时钟PCLK1由HCLK经过低速APB预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]，具体由时钟配置寄存器RCC_CFGR的PPRE1位设置。

HCLK1属于低速的总线时钟，最高为45M，片上低速的外设就挂载到这条总线上，比如USART2/3/4/5、SPI2/3，I2C1/2等。至于APB1总线上的外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗线条的设置好APB1的时钟即可。我们这里设置为4分频，即PCLK1 = HCLK/4 = 45M。

7.    设置系统时钟库函数

上面的6个步骤对应的设置系统时钟库函数如下，为了方便阅读，已经把跟429不相关的代码删掉，把英文注释翻译成了中文，并把代码标上了序号，总共6个步骤。该函数是直接操作寄存器的，有关寄存器部分请参考数据手册的RCC的寄存器描述部分。

代码 13 设置系统时钟库函数

 1 /*

 2  * 使用HSE时，设置系统时钟的步骤

 3  * 1、开启HSE ，并等待 HSE 稳定

 4  * 2、设置 AHB、APB2、APB1的预分频因子

 5  * 3、设置PLL的时钟来源

 6  *    设置VCO输入时钟分频因子        m

 7  *    设置VCO输出时钟倍频因子        n

 8  *    设置PLLCLK时钟分频因子          p

 9  *    设置OTG FS,SDIO,RNG时钟分频因子 q

10  * 4、开启PLL，并等待PLL稳定

11  * 5、把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK

12  * 6、读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟

13  */

14 

15 #define PLL_M 25

16 #define PLL_N 360

17 #define PLL_P 2

18 #define PLL_Q 7

如果要超频的话，修改PLL_N这个宏即可，取值范围为：192~432。

1 void SetSysClock(void)

 2 {

 3 

 4     __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;

 5 

 6 

// ①使能HSE

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

 8 

 9 

// 等待HSE启动稳定

10 

do {

11         HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;

12         StartUpCounter++;

13     } while ((HSEStatus==0)&&(StartUpCounter

14                               !=HSE_STARTUP_TIMEOUT));

15 

16 

if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET) {

17         HSEStatus = (uint32_t)0x01;

18     } else {

19         HSEStatus = (uint32_t)0x00;

20     }

21 

22 

// HSE 启动成功

23 

if (HSEStatus == (uint32_t)0x01) {

24 

// 调压器电压输出级别配置为1，以便在器件为最大频率

25 

// 工作时使性能和功耗实现平衡

26         RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;

27         PWR->CR |= PWR_CR_VOS;

28 

29 

// ②设置AHB/APB2/APB1的分频因子

30 

// HCLK = SYSCLK / 1

31         RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

32 

// PCLK2 = HCLK / 2

33         RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;

34 

// PCLK1 = HCLK / 4

35         RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;

36 

37 

// ③配置主PLL的时钟来源，设置M,N,P,Q

38 

// Configure the main PLL

39         RCC->PLLCFGR = PLL_M|(PLL_N<<6)|

40                        (((PLL_P >> 1) -1) << 16) |

41                        (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) |

42                        (PLL_Q << 24);

43 

44 

// ④使能主PLL

45         RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

46 

47 

// 等待PLL稳定

48 

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

49         }

50 

/*----------------------------------------------------*/

51 

// 开启 OVER-RIDE模式，以能达到更改频率

52         PWR->CR |= PWR_CR_ODEN;

53 

while ((PWR->CSR & PWR_CSR_ODRDY) == 0) {

54         }

55         PWR->CR |= PWR_CR_ODSWEN;

56 

while ((PWR->CSR & PWR_CSR_ODSWRDY) == 0) {

57         }

58 

// 配置FLASH预取指,指令缓存,数据缓存和等待状态

59         FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTEN

60                      |FLASH_ACR_ICEN

61                      |FLASH_ACR_DCEN

62                      |FLASH_ACR_LATENCY_5WS;

63 

/*---------------------------------------------------*/

64 

65 

// ⑤选择主PLLCLK作为系统时钟源

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

67         RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;

68 

69 

// ⑥读取时钟切换状态位，确保PLLCLK选为系统时钟

70 

while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS )

71                != RCC_CFGR_SWS_PLL);

72         {

73         }

74     } else {

75 

// HSE 启动出错处理

76     }

77 }

1.2.2 其他时钟

通过对系统时钟设置的讲解，整个时钟树我们已经把握的有六七成，剩下的时钟部分我们讲解几个重要的。

1.    A、RTC时钟

RTCCLK 时钟源可以是 HSE 1 MHz（ HSE 由一个可编程的预分频器分频）、 LSE 或者 LSI时钟。选择方式是编程 RCC 备份域控制寄存器 (RCC_BDCR) 中的 RTCSEL[1:0] 位和 RCC时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 RTCPRE[4:0] 位。所做的选择只能通过复位备份域的方式修改。我们通常的做法是由LSE给RTC提供时钟，大小为32.768KHZ。LSE由外接的晶体谐振器产生，所配的谐振电容精度要求高，不然很容易不起震。

2.    B、独立看门狗时钟

独立看门狗时钟由内部的低速时钟LSI提供，大小为32KHZ。

3.    C、I2S时钟

I2S时钟可由外部的时钟引脚I2S_CKIN输入，也可由专用的PLLI2SCLK提供，具体的由RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR)的I2SSCR位配置。我们在使用I2S外设驱动W8978的时候，使用的时钟是PLLI2SCLK，这样就可以省掉一个有源晶振。

4.    D、PHY以太网时钟

F429要想实现以太网功能，除了有本身内置的MAC之外，还需要外接一个PHY芯片，常见的PHY芯片有DP83848和LAN8720，其中DP83848支持MII和RMII接口，LAN8720只支持RMII接口。秉火F429开发板用的是RMII接口，选择的PHY芯片是LAB8720。使用RMII接口的好处是使用的IO减少了一半，速度还是跟MII接口一样。当使用RMII接口时，PHY芯片只需输出一路时钟给MCU即可，如果是MII接口，PHY芯片则需要提供两路时钟给MCU。

5.    E、USB PHY 时钟

F429的USB没有集成PHY，要想实现USB高速传输的话，必须外置USB PHY芯片，常用的芯片是USB3300。当外接USB PHY芯片时，PHY芯片需要给MCU提供一个时钟。

外扩USB3300会占用非常多的IO，跟SDRAM和RGB888的IO会复用的很厉害，鉴于USB高速传输用的比较少，秉火429就没有外扩这个芯片。

6.    F、MCO时钟输出

MCO是microcontroller clock output的缩写，是微控制器时钟输出引脚，主要作用是可以对外提供时钟，相当于一个有源晶振。F429中有两个MCO，由PA8/PC9复用所得。MCO1所需的时钟源通过 RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 MCO1PRE[2:0] 和 MCO1[1:0]位选择。MCO2所需的时钟源通过 RCC 时钟配置寄存器 (RCC_CFGR) 中的 MCO2PRE[2:0] 和 MCO2位选择。有关MCO的IO、时钟选择和输出速率的具体信息如下表所示：

1.3 配置系统时钟实验

1.3.1 使用HSE

一般情况下，我们都是使用HSE，然后HSE经过PLL倍频之后作为系统时钟。F429系统时钟最高为180M，这个是官方推荐的最高的稳定时钟，如果你想铤而走险，也可以超频，超频最高能到216M。

如果我们使用库函数编程，当程序来到main函数之前，启动文件：startup_stm32f429_439xx.s已经调用SystemInit()函数把系统时钟初始化成180MHZ，SystemInit()在库文件：system_stm32f4xx.c中定义。如果我们想把系统时钟设置低一点或者超频的话，可以修改底层的库文件，但是为了维持库的完整性，我们可以根据时钟树的流程自行写一个。

1.3.2 使用HSI

当HSE直接或者间接（HSE经过PLL倍频）的作为系统时钟的时候，如果HSE发生故障，不仅HSE会被关闭，连PLL也会被关闭，这个时候系统会自动切换HSI作为系统时钟，此时SYSCLK=HSI=16M，如果没有开启CSS和CSS中断的话，那么整个系统就只能在低速率运行，这是系统跟瘫痪没什么两样。

如果开启了CSS功能的话，那么可以当HSE故障时，在CSS中断里面采取补救措施，使用HSI，重新设置系统频率为180M，让系统恢复正常使用。但这只是权宜之计，并非万全之策，最好的方法还是要采取相应的补救措施并报警，然后修复HSE。临时使用HSI只是为了把损失降低到最小，毕竟HSI较于HSE精度还是要低点。

F103系列中，使用HSI最大只能把系统设置为64M，并不能跟使用HSE一样把系统时钟设置为72M，究其原因是HSI在进入PLL倍频的时候必须2分频，导致PLL倍频因子调到最大也只能到64M，而HSE进入PLL倍频的时候则不用2分频。