关于STM32的时钟系统，你了解多少？

百科 2024-12-16 07:30 北京

STM32系列产品是ST在2007年推出的基于ARM@Cortex-M内核的高性能、低成本、低功耗MCU。

一、STM32的时钟树

时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令，时钟就像人的心跳一样。STM32本身十分复杂，外设非常多，任何外设都需要时钟才能启动，但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率，如果都用高速时钟势必造成浪费。同一个电路，时钟越快功耗越大、抗电磁干扰能力越弱。复杂的MCU采用多时钟源的方法来解决这些问题。如下图，是STM32的时钟系统框图。

如上图左边的部分，看到STM32有4个独立时钟源：

1.HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz，精度不高。

2.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~16MHz。

3.LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz，提供低功耗时钟。

4.LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。

时钟树的右边红色框中，则是系统时钟通过AHB预分频器，给相对应的外设设置相对应的时钟频率。其中LSI、LSE是作为IWDGCLK(独立看门狗)时钟源和RTC时钟源使用。而HSI、HSE以及PLLCLK经过分频或者倍频作为系统时钟SYSCLK来使用。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。通过倍频之后作为系统时钟的时钟源。

二、STM32如何配置时钟？

1.默认时钟

Keil编写程序是默认的时钟为72MHz，其实是这么来的：外部高速晶振HSE提供的8MHz（大小与电路板上的晶振相关）通过PLLXTPRE分频器后，进入PLLSRC选择开关，进而通过PLLMUL锁相环进行倍频（x9）后，为系统提供72MHz的系统时钟SYSCLK。之后是AHB预分频器对时钟信号进行分频，然后为低速外设提供时钟。

内部RC振荡器HSI为8MHz，2分频后是4MHz，进入PLLSRC选择开关，通过PLLMUL锁相环进行倍频（最大x16)后为64MHz。

USB时钟

如上图，STM32的USB时钟不能超过48MHz，因此如果时钟源为72MHz，就需要进行1.5分频。如果时钟源为48MHz，则进行1分频即可。

把时钟信号输出到外部

STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟，可以把时钟信号输出供外部使用。

AHB分频器

如时钟树图右边的部分，系统时钟通过AHB分频器给外设提供时钟。从左到右可以简单理解为：系统时钟->AHB分频器->各个外设分频倍频器->外设时钟的设置。

右边部分为：系统时钟SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用，AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。其中AHB分频器输出的时钟送给5大模块使用：

内核总线：送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。
Tick定时器：通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟。
I2S总线：直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。
APB1外设：送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB1外设使用(PCLK1，最大频率36MHz)，另一路送给通用定时器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2-7使用。
APB2外设：送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率72MHz)，另一路送给高级定时器。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器1和定时器8使用。另外，APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。需要注意的是，如果APB预分频器分频系数是1，则定时器时钟频率(TIMxCLK)为PCLKx。否则，定时器时钟频率将为APB域的频率的两倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

APB1和APB2的对应外设

F1系列中，APB1上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等。

APB2上面连接的是高速外设，包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口（PA-PE）、第二功能I/O（AFIO）口等。

具体可以在stm32f10x_rcc.h中查看外设挂在哪个时钟下。

时钟监视系统（CSS）

另外，STM32还提供了一个时钟监视系统（CSS），用于监视高速外部时钟（HSE）的工作状态。倘若HSE失效，会自动切换（高速内部时钟）HSI作为系统时钟的输入，保证系统的正常运行。

STM32+8M晶振+32.768KHz晶振的搭配选型方案

一般来说MCU需要接入一个主频和一个时钟频率，STM32系列也不例外。其中主频4M、8M、16M、24M、32M和48M居多，一般搭配常用KDS、NDK 8MHz晶振；时钟频率即是最常见的32.768KHz晶振。

如图所示：

KDS、NDK 8MHz的主频晶振

推荐两种品牌极具性价比的8MHz晶振，3225封装尺寸，这几年主流设计选择产品。一种是：日本KDS推出的DSX321G（工业级和民用级）和DSX320G（汽车级）系列产品；一种是：日本NDK推出的NX3225SA（工业级、民用级和汽车级）系列产品。

1）工业级、消费类产品用DSX321G

DSX321G 8MHz

该型号产品封装为3.2mm*2.5mm，体积不到传统49S封装的1/5，精度可达到20PPM，工作温度达到-40~+85°C的工业级，完全能够满足客户的要求。

2）汽车电子、工控类产品用：DSX320G

该型号产品封装统一为3.2*2.5mm，精度可做到100ppm和50ppm，除了温度能满足客户要求的-40~+125°C、-40~+150°C外，还符合AEC-Q200标准。

3）NX3225GD 8M

产品型号：NX3225GD 8M晶振

晶振频率：8MHz

晶振尺寸：3.2 × 2.5 × 0.8mm

特征：小型表面贴片型晶体谐振器，最适合用于即使在汽车电子领域中也是特别要求高可靠性的引擎控制用CPU的时钟部分。

具有耐热、耐振、耐撞击等优良的耐环境特性。满足无铅焊接的回流温度曲线要求。符合AEC-Q200标准。

32.768KHz时钟晶振

STM32系列大部分产品外围匹配的32.768KHz晶振要求低负载，低ESR值等，因此对该颗晶振的要求相当高。一旦该颗晶振的指标出现偏差，极易出现晶振起振时间慢、时间偏大、不起振等现象。推荐几颗大批量应用在STM32芯片上的时钟晶振。

1）低负载、低ESR值产品：

KDS：DT-26 32.768KHZ 20PPM 6PF

KDS：DMX-26S 32.768KHZ 20PPM 6PF

EPSON：MC-306 32.768KHZ 20PPM 6PF

EPSON：FC-135 32.768KHZ 20PPM 6PF

EPSON：MC-146 32.768KHZ 20PPM 6PF

NDK：NX3215SA 32.768KHZ 20PPM 6PF

2）常规负载产品

KDS

DT-26 32.768KHz 20PPM 12.5PF

DMX-26S 32.768KHz 20PPM 12.5PF

DST310S 32.768KHz 20PPM 12.5PF

EPSON

MC-306 32.768KHz 20PPM 12.5PF

FC-135 32.768KHz 20PPM 12.5PF

MC-146 32.768KHz 20PPM 6PF

NDK

NX3215SA 32.768KHz 20PPM 12.5PF

PS：根据STM32数据手册开发延时函数

STM32单片机有单独的systick滴答定时器来操控延时函数的实现。

这样的定时器既不占用常用定时器外设，也不占用系统中断。通常使用外设时钟振荡源经过PLL锁相器倍频后的时钟频率作为基准，在经过8分频后作为cortex的系统时钟（可看时钟树，也就是9MHz）。

打开库函数手册，找到MISC模块下的函数调用。有一个函数配置：

SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)

具体参数配置大家去看手册便知了。初始化函数就有了：

void delay_init(){SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);fac_us=SystemCoreClock/8000000;fac_ms=(u16)fac_us*1000;}

fac_us和ms都是全局变量，表示计数多少个为1us和1ms。以us为例，外部时钟进入后为72MHz，计数1次为1/72Ms，而现在系统时钟为八分频，9MHz，计数一次为（1/（72/8）Ms）,计数1s需要计数(72/8)M次，计数1us需要（72/8）M/10^6也就是72/8次。好了，以SystemCoreClock则需要除以8M才行。

除此之外，还要配置systick相关的几个寄存器。

void delay_us(u32 nus){  u32 temp;  SysTick->LOAD=nus*fac_us;   SysTick->VAL=0x00;  SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //使能do  {    temp=SysTick->CTRL;  }while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));  SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //重新赋值ENABLE为0  SysTick->VAL =0x00;}

us函数，load为加载值寄存器，也就是计数多少次重新计数，所以是填充值nus*fac_us。写VAL寄存器会清除CTRL寄存器的COUNTFLAG，也就是加一道保险，免得复位时不小心修改了COUNTFLAG的值（很重要，判断是否计数完成，完成该位置1）。

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