时钟系统

Author：余生

在嵌入式系统中，时钟系统是整个硬件架构的核心之一。它不仅决定了 CPU 的运行速度，还影响着外设的工作频率、定时器的精度以及系统的功耗。本文将从最底层的角度讲解 STM32 微控制器中的时钟结构，并结合定时器的应用场景，展示如何通过配置时钟来优化系统性能。

一、引言

STM32 系列微控制器基于 ARM Cortex-M 内核，其内部集成了复杂的时钟树结构。理解这些时钟源及其分配机制对于开发高效能、低功耗的嵌入式系统至关重要。本文将详细讲解 STM32 的时钟系统，包括时钟源的选择、分频与倍频、PLL（锁相环）的工作原理，以及如何利用这些知识配置定时器等外设。

二、时钟源概述

STM32 提供了多种时钟源，开发者可以根据具体需求选择合适的时钟源。常见的时钟源包括：

HSI（High-Speed Internal Clock）：
1. 内部 RC 振荡器，通常为 8 MHz。
2. 优点：启动速度快，无需外部晶振。
3. 缺点：精度较低，受温度和电压变化影响大。
HSE（High-Speed External Clock）：
1. 外部晶振或陶瓷谐振器，典型值为 8 MHz 或 25 MHz。
2. 优点：高精度，稳定性好。
3. 缺点：需要额外的外部元件，启动时间较长。
LSE（Low-Speed External Clock）：
1. 用于 RTC（实时时钟），典型值为 32.768 kHz。
2. 优点：高精度，适合长时间计时。
3. 缺点：需要额外的外部元件。
LSI（Low-Speed Internal Clock）：
1. 内部 RC 振荡器，典型值为 40 kHz。
2. 优点：无需外部元件，启动快。
3. 缺点：精度较低。
PLL（Phase-Locked Loop）：
1. 锁相环电路，用于倍频输入时钟信号。
2. 可以将 HSI 或 HSE 的频率倍频至更高的频率，如 72 MHz。

三、时钟树结构

STM32 的时钟树是一个复杂的网络，负责将不同的时钟源分配给各个模块。以下是 STM32F103 系列的一个简化版时钟树：

txt

+-------------------+
|      HSI          |
| (Internal, 8 MHz) |
+-------------------+
       |
       v
+-------------------+
|      PLL          |
| (Phase-Locked Loop)|
+-------------------+
       |
       v
+-------------------+
|      SYSCLK       |
| (System Clock)    |
+-------------------+
       |
       +---------------------+----------------------+
       |                     |                      |
       v                     v                      v
+---------------+     +--------------+        +-------------+
|      AHB      |     |     APB1     |        |     APB2    |
| (Advanced High-|     | (Advanced    |        | (Advanced   |
| Performance Bus)|    | Peripheral Bus 1) |    | Peripheral Bus 2) |
+---------------+     +--------------+        +-------------+
       |                     |                      |
       v                     v                      v
+---------------+     +--------------+        +-------------+
|      CPU      |     |    TIMx      |        |    TIMx     |
|               |     | (Timers)     |        | (Timers)    |
+---------------+     +--------------+        +-------------+

3.1 系统时钟（SYSCLK）

SYSCLK 是整个系统的核心时钟，驱动 CPU 和高速外设。可以通过以下方式设置 SYSCLK：

直接使用 HSI 或 HSE 作为 SYSCLK。
使用 PLL 对 HSI 或 HSE 进行倍频后作为 SYSCLK。

cpp

// 设置系统时钟为 PLL 输出的 72 MHz
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

3.2 AHB 和 APB 总线时钟

AHB 和 APB 总线时钟分别驱动不同的外设模块。通常情况下，AHB 总线时钟（HCLK）直接等于 SYSCLK，而 APB1 和 APB2 总线时钟则通过对 HCLK 进行分频得到。

cpp

// 设置 AHB 时钟为 SYSCLK / 1
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);

// 设置 APB1 时钟为 HCLK / 2
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);

// 设置 APB2 时钟为 HCLK / 1
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);

3.3 定时器时钟

定时器（TIMx）挂载在 APB1 或 APB2 总线上，其时钟源取决于所挂载的总线。需要注意的是，某些定时器的时钟可能会被自动倍频。例如，在 STM32F103 中，APB1 上的定时器时钟会被自动倍频两倍。

cpp

// 配置定时器时钟
void TIM_Config(void) {
    // 启用定时器时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;         // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;      // 预分频系数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;     // 时钟分割
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

在这个例子中，假设 PCLK1 为 36 MHz，预分频系数为 7199，则定时器的实际计数频率为：

Timer Frequency=36 MHz7200=5 kHzTimer Frequency=720036 MHz=5 kHz

因此，定时器每 200 微秒产生一次中断。

四、PLL 工作原理

PLL 是一种用于生成高频时钟的电路，广泛应用于现代微控制器中。其基本工作原理如下：

输入时钟：PLL 接收一个稳定的参考时钟（可以是 HSI 或 HSE）。
分频器：对输入时钟进行分频，生成一个较低频率的信号。
压控振荡器（VCO）：将分频后的信号放大并调整频率。
反馈回路：将 VCO 输出的一部分信号反馈到 PLL 的比较器中，与原始输入时钟进行比较。
输出时钟：经过多次循环调整后，VCO 输出稳定且高精度的时钟信号。

PLL 配置示例

假设我们希望将 HSE（8 MHz）倍频至 72 MHz 作为系统时钟：

cpp

// 启用 HSE 时钟
RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET); // 等待 HSE 准备就绪
// 配置 PLL
RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); // 8 MHz * 9 = 72 MHz
// 启用 PLL
RCC_PLLCmd(ENABLE);
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET); // 等待 PLL 准备就绪
// 设置系统时钟为 PLL 输出
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

// 更新 Flash 等待状态
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);

在这个过程中，我们首先启用了 HSE 时钟，并等待其准备就绪。然后配置 PLL 将 HSE 时钟倍频至 72 MHz，并启用 PLL。最后，我们将系统时钟切换到 PLL 输出，并根据新的时钟频率调整 Flash 等待状态，确保指令执行不会出错。

五、定时器的应用与优化

5.1 基本定时功能

定时器是嵌入式系统中最常用的外设之一，可用于实现延时、PWM 输出、捕获等功能。下面是一个简单的定时器配置示例：

cpp

void TIM_Delay_Init(uint16_t ms) {
    // 启用定时器时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 配置定时器参数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;         // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;      // 预分频系数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;     // 时钟分割
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置中断优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    // 使能定时器中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 清除中断标志位
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);

        // 执行定时任务
        // ...
    }
}

在这个例子中，我们配置了一个定时器，使其每隔 200 微秒产生一次中断。通过调整 TIM_Period 和 TIM_Prescaler 参数，可以灵活地控制定时器的周期。

5.2 PWM 输出

定时器还可以用于生成 PWM 信号。下面是一个简单的 PWM 输出配置示例：

cpp

void TIM_PWM_Init(void) {
    // 启用定时器时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 配置定时器参数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;         // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;       // 预分频系数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;    // 时钟分割
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置 PWM 输出
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 499;            // 占空比为 50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

在这个例子中，我们配置了定时器 TIM3 生成一个占空比为 50% 的 PWM 信号。通过调整 TIM_Pulse 参数，可以改变 PWM 信号的占空比。

六、总结

通过对 STM32 时钟系统的深入探讨，我们可以看到，合理的时钟配置对于构建高效能、低功耗的嵌入式系统至关重要。时钟源的选择、PLL 的配置、AHB 和 APB 总线的分配，都直接影响着系统的整体性能。结合定时器的应用场景，展示了如何通过配置时钟来实现精确的时间控制和高效的外设操作。

理解并掌握这些基础知识，不仅可以帮助开发者更好地设计嵌入式系统，还能在面对复杂应用场景时提供更多的优化手段。无论是提高系统的实时响应能力，还是降低功耗，合理配置时钟都是关键步骤之一。希望本文能够为读者提供有价值的参考，并激发更多关于嵌入式系统设计的思考。

10.3.1 51单片机

10.3.2 STM32

10.3.2.1 概述

10.3.2.2 开发环境

10.3.2.3 外设资源

10.3.2.4 体系架构

10.4.1 嵌入式操作系统概述

10.4.2 嵌入式操作系统核心概念

10.4.3 常见嵌入式操作系统

时钟系统

一、引言

二、时钟源概述

三、时钟树结构

3.1 系统时钟（SYSCLK）

3.2 AHB 和 APB 总线时钟

3.3 定时器时钟

四、PLL 工作原理

PLL 配置示例

五、定时器的应用与优化

5.1 基本定时功能

5.2 PWM 输出

六、总结

10.3.2.1 概述

10.3.2.2 开发环境

10.3.2.3 外设资源

10.3.2.4 体系架构

时钟系统 ​

一、引言 ​

二、时钟源概述 ​

三、时钟树结构 ​

3.1 系统时钟（SYSCLK） ​

3.2 AHB 和 APB 总线时钟 ​

3.3 定时器时钟 ​

四、PLL 工作原理 ​

PLL 配置示例 ​

五、定时器的应用与优化 ​

5.1 基本定时功能 ​

5.2 PWM 输出 ​

六、总结 ​

时钟系统

一、引言

二、时钟源概述

三、时钟树结构

3.1 系统时钟（SYSCLK）

3.2 AHB 和 APB 总线时钟

3.3 定时器时钟

四、PLL 工作原理

PLL 配置示例

五、定时器的应用与优化

5.1 基本定时功能

5.2 PWM 输出

六、总结