STM32~配置时钟频率[一文带你解决STM32主频配置]

前言

  最近开发项目，对MCU主频要求比较精确，尝试了两种配置主频的方法，掌握这两种方法也就熟悉STM32系列主频的配置方法了。分别是，使用外部晶振作为时钟源；内部RC时钟作为时钟源。介绍两种时钟源的区别：

1. HSI内部8MHz的RC振荡器的误差在1%左右，内部RC振荡器的精度通常比用HSE（外部晶振）要差上十倍以上。
2. 内部RC频率受温度影响比较大，如果省电Sleep模式下内部RC会停止工作。

1 . 时钟系统

  在STM32中，有五个时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

1. HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz。
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。
4. LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。
5. 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。

  用户可通过多个预分频器配置AHB总线、高速APB2总线和低速APB1总线的频率。AHB和APB2域的最大频率是72MHZ。APB1域的最大允许频率是36MHZ。SDIO接口的时钟频率固定为HCLK/2。
  40kHz的LSI供独立看门狗IWDG使用，另外它还可以被选择为实时时钟RTC的时钟源。另外，实时时钟RTC的时钟源还可以选择LSE，或者是HSE的128分频。RTC的时钟源通过RTCSEL[1:0]来选择。
  STM32中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL输出端获取，可以选择为1.5分频或者1分频，也就是，当需要使用USB模块时，PLL必须使能，并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。
  另外，STM32还可以选择一个PLL输出的2分频、HSI、HSE、或者系统时钟SYSCLK输出到MCO脚(PA8)上。系统时钟SYSCLK，是供STM32中绝大部分部件工作的时钟源，它可选择为PLL输出、HSI或者HSE，（一般程序中采用PLL倍频到72Mhz）在选择时钟源前注意要判断目标时钟源是否已经稳定振荡。Max=72MHz，它分为2路，1路送给I2S2、I2S3使用的I2S2CLK,I2S3CLK；另外1路通过AHB分频器分频（1/2/4/8/16/64/128/256/512）分频后送给以下8大模块使用：

1. 送给SDIO使用的SDIOCLK时钟。
2. 送给FSMC使用的FSMCCLK时钟。
3. 送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。
4. 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟（SysTick）。
5. 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。
6. 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)，另一路送给定时器(Timer2-7)2、3、4倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2、3、4、5、6、7使用。
7. 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)，另一路送给定时器(Timer1、Timer8)1、2倍频器使用。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，分频后得到ADCCLK时钟送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。
8. 2分频后送给SDIO AHB接口使用（HCLK/2）。

详细参考：

• STM32时钟系统学习
• STM32的时钟树深入详解以及RCC配置

2 . 外部晶振作为时钟源

接下来，解决使用12M外部晶振时，如何配置作为系统时钟源。
第一步，修改stm32f10x.h中的HSE_VALUE为12000000

/**
 * @brief In the following line adjust the value of External High Speed oscillator (HSE)
   used in your application 
   
   Tip: To avoid modifying this file each time you need to use different HSE, you
        can define the HSE value in your toolchain compiler preprocessor.
  */           
#if !defined  HSE_VALUE
 #ifdef STM32F10X_CL   
  #define HSE_VALUE    ((uint32_t)25000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
 #else 
  #define HSE_VALUE    ((uint32_t)12000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
 #endif /* STM32F10X_CL */
#endif /* HSE_VALUE */

第二步，修改system_stm32f10x.c中的时钟配置，先找到void SystemInit(void)—》SetSysClock()—》SetSysClockTo72()，将9倍频改为6倍频，12*6=72MHz

/**
  * @brief  Sets System clock frequency to 72MHz and configure HCLK, PCLK2 
  *         and PCLK1 prescalers. 
  * @note   This function should be used only after reset.
  * @param  None
  * @retval None
  */
static void SetSysClockTo72(void)
{
  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
  
  /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    
  /* 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)
  {
    /* Enable Prefetch Buffer */
    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;

    /* Flash 2 wait state */
    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    

 
    /* HCLK = SYSCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
      
    /* PCLK2 = HCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
    
    /* PCLK1 = HCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;

#ifdef STM32F10X_CL
    // ...
#else    
    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |
                                        RCC_CFGR_PLLMULL));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL6); // 12
#endif /* STM32F10X_CL */

    /* Enable PLL */
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /* Wait till PLL is ready */
    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
    {
    }
    
    /* Select PLL as system clock source */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    

    /* Wait till PLL is used as system clock source */
    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
    {
    }
  }
  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 */
  }
}

参考：

• STM32F103外部晶振由8M变为12M
• STM32F103使用库函数如何修改外部晶振频率？如何修改主频？

3 . 内部RC作为时钟源

  实际开发中使用内部RC振荡器主频不能达到72，我使用的是STM32F103C8T6，库函数最多支持16倍频也就是8/2*16=64Mhz，实际测试芯片跑不起来功能没有正常工作。使用内部RC振荡最大能达到52M，不信大家可以试验一下。
下面一篇博客中也提到类似问题：

• 【STM32F103攻城笔记】内部晶振HSI倍频设置系统时钟

在system_STM32f10x.c中，找到函数void SystemInit (void){} 注释掉所有代码，添加下属代码。

	//开启HSI
	RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 
	//选择HSI为PLL的时钟源，HSI必须2分频给PLL
	RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 
	// 8/2 *13 = 52 8/2 *9 = 36 8/2 * 12，设置倍频
	RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;
	//PLL不分频
	RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
	// 使能PLL
	RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
	// 等待PLL始终就绪
	while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0){}
	// 选择PLL为系统时钟源
	RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
	RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;
	// 等待PLL成功
	while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08){}

4 .Keil MDK中Xtal的作用

  在手动配置主频的过程中，想到Keil工程菜单应该提供了配置主频的选项，于是又看到这个。百度了一下，这个参数只用于软件仿真的，对于硬件仿真或者直接把程序下载到板子里是没有影响的。
  Xtal 后面的数值是晶振频率值，默认值是所选目标 CPU 的最高可用频率值 。该数值与最终产生的目标代码无关，仅用于软件模拟调试时显示程序执行时间。正确设置该数值可使显示时间与实际所用时间一致，一般将其设置成与你的硬件所用晶振频率相同。