STM32F4_时钟系统精讲

目录

1. 什么是系统时钟

2. 时钟树

2.1 LSI

2.2 LSE

2.3 HSI 

2.4 HSE

2.5 PLLCLK

2.6 SYSCLK

2.7 HCLK

2.8 PCLK1

2.9 PCLK2

2.10 RTC/AWU

3 SysTick定时器

3.1 为什么会有Systick定时器？

3.2 SysTick定时器的作用 

3.3 SysTick定时器的寄存器

4. IO引脚复用和映射

5. NVIC中断优先级

5.1 中断寄存器

5.2 NVIC中断优先级设置函数

5.3 中断优先级设置步骤

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1. 什么是系统时钟

        时钟系统就像人的心脏一样，在单片机系统中起着脉搏的作用；时钟是由电路产生的具有周期性的脉冲信号，要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟，也就是给时钟使能。我们知道，操作一个外设的本质是操作其对应的寄存器，而寄存器由D触发器构成，必须通过时钟才能改写触发器的值，所以想要操作外设必须使能相应的时钟；对于CPU来说，时钟的频率越高，其时钟值越小，这里可以理解时钟是一个信号的周期，时钟=1/f，频率越高，时钟越小，也就是单位时间内 CPU 能够做到更多的事，也就是我们常说的CPU运行快；

        STM32F4xx的时钟系统主要是给不同外设提供时钟，不同外设所需的时钟频率不同，如果像51单片机一样共用一个系统时钟，会造成资源浪费，给CPU运行带来负担，况且有些外设也接受不了这么大的频率；所以默认状态下，所有时钟是关闭的，操作哪个外设，就首先对哪个外设对应的时钟进行使能；

        STM32 共有5个时钟源：HSE(高速外部时钟)、HSI(高速内部时钟)、LSE(低速外部时钟)、LSI(低速内部时钟)、PLL(锁相环倍频输出)；

2. 时钟树

按照从上到下，从左到右的顺序，我们依次来看时钟树的结构：使用任何外设之前一定要先使能对应的时钟，否则无法使用对应的外设；

        首先，LSI 低速内部时钟供到独立看门狗使用，32KHz，同时接到RTCSEL上，图中梯形形状代表着选择作用，也就是RTC可以选择LSE低速外部时钟使能，也可以选择LSI，在这里，通常选择LSE，因为LSE外接晶振，精度较高；LSE直接供RTC使用，LSE还可以经过1-5的分频后供MCO1使用；HSI 可以经过1-5 的分频后供 MCO1使用，HSI 也可以供给系统时钟 SYSCLK 选择使用，HSI 还可以通过分频后，在经过倍频，经过PLLP或者PLLQ后通过PLL输出；HSE通过1-5分频后可以供MCO2使用，HSE也可以供给系统时钟选择使用；PLL锁存倍频输出可以直接供外设使用；PLLI2S称为专用PLL；系统时钟可以是HSI、HSE、PLLCLK供应，其可以供应以太网PTP时钟；也可以通过AHB总线协议到AHB总线、内核、存储器和DMA，或者到Cortex系统定时器；

2.1 LSI

① LSI：low speed Internal Clock signal，低速内部(硬件焊接时不用外部加晶振，内部集成晶振 ag. CH340C)时钟。RC振荡器，频率32KHz左右。供看门狗（IWDG）和自动唤醒单元（AWU）使用。LSI RC更多的是担当一个低功耗时钟源的角色，可以在停机或者待机模式下保持运行。

使用：LSI RC是通过RCC时钟控制和状态寄存器RCC_CSR中的 LSION 位打开或关闭；RCC时钟控制和状态寄存器RCC_CSR中的 LSIDAY 标志指示低速内部振荡器是否稳定，硬件将此位置1，此时钟才可以使用；LSI RC更多的是担当一个低功耗时钟源的角色，可以在停机或者待机模式下保持运行。

 

 为独立看门狗或者RTC提供时钟；（上图）

 RCC时钟控制和状态寄存器RCC_CSR；（下图）

  

2.2 LSE

② LSE：low Speed External Clock signal，低速外部（外部焊接时加上晶振和滤波电容）时钟。接32.768KHz的石英晶体，主要作为RTC的时钟源来提供时钟/日历或其他定时功能，具有功率低且精度高的优点。 其使用方法和 LSI 不尽相同。 

使用：LSE 晶振是通过RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR中的 LSION 位打开或关闭；RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR中的 LSEDAY 标志指示LSE晶振是否稳定，硬件将此位置1，此时钟才可以使用；如在RCC 时钟中断寄存器 (RCC_CIR) 中使能中断，则可产生中断。

 原理图上32.768MHz的外部晶振，直接接到芯片的引脚上。

主要作为RTC使能（上图）；

RCC备份域控制寄存器RCC_BDCR（下图）；

2.3 HSI 

④ HSI：High Speed Internal Clock signal，高速内部时钟。RC振荡器，频率16MHz，可以直接用作系统时钟或者PLL输入；当HSE故障时，系统会自动的使用HSI，直到HSE启动成功（可做辅助时钟使用）；HSI RC振荡器能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟（成本较低）。它的启动时间比HSE晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差。

使用：RCC 时钟控制寄存器 (RCC_CR) 中的 HSIRDY 标志指示 HSI RC 是否稳定。在启动时，硬件将此位置 1 后，HSI 才可以使用。HSI RC 可通过 RCC 时钟控制寄存器 (RCC_CR) 中的 HSION 位打开或关闭。

D：SW：系统时钟切换（System Clock switch）；由软件置 1 或者清 0 来选择系统时钟源，再停止或者待机模式中直接或者间接的作为系统时钟的HSE出现故障时，HSI作为辅助时钟被系统强制的作为系统时钟；其中：

• 00：HSI作系统时钟；
• 01：HSE作系统时钟；
• 10：PLL输出作系统时钟；
• 11：不可用；

控制寄存器 (RCC_CR) （下图）

2.4 HSE

③ HSE：High Speed External Clock signal，高速外部时钟；可以接石英/陶瓷谐振器，频率范围为4MHz~26MHz。HSE也可以直接作为系统时钟或者PLL输入。

HSE的特点是 精度非常高；

RCC 时钟控制寄存器 (RCC_CR) 中的 HSERDY 标志指示高速外部振荡器是否稳定。在启动时，硬件将此位置 1 后，此时钟才可以使用。如在 RCC 时钟中断寄存器 (RCC_CIR) 中使能 中断，则可产生中断。HSE 晶振可通过 RCC 时钟控制寄存器 (RCC_CR) 中的 HSEON 位打开或关闭。

原理图上8MHZ的外部晶振，直接接到芯片引脚上。

 RCC 时钟控制寄存器 (RCC_CR) （下图）

 

2.5 PLLCLK

⑤ PLLCLK：锁相环倍频输出；

由于在 PLL 使能后主 PLL 配置参数便不可更改，所以建议先对 PLL 进行配置，然后再使能 （选择 HSI 或 HSE 振荡器作为 PLL 时钟源，并配置分频系数 M、N、P 和 Q）。PLL总时钟经SystemInit 初始化以后的状态为168MHz；

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。

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。

主PLL先经过一个分频系数为M（PLL/M）的分频器，然后经过倍频系数为N的倍频器，出来之后经过分频系数为P（第一输出PLLP）或者第二输出（PLLQ）的分频器分频之后，最终生成主PLL时钟。ag . 外部晶振选择8MHz，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，可以计算得到主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  

2.6 SYSCLK

SYSCLK：系统时钟，最高为72M，通常的配置是SYSCLK=PLLCLK=168M。HSI、HSE、PLLCLK均可直接充当系统时钟；通过CFGR和SW进行控制；SW 系统切换已在2.3 HSI中讲解；在库函数里面关于CFGR（寄存器）主要是设置了HCLK、APB1和APB2 的时钟频率，还有通过寄存器后两位选择HSE/HSI/PLL这三个其中一个作为系统时钟。系统时钟经SystemInit函数初始化以后的状态为168MHz；

2.7 HCLK

HCLK：AHB（AHB是一种总线的协议，AHB用于高性能、高时钟频率的系统结构，典型的应用如ARM核与系统内部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的连接。）总线时钟；为AHB总线的外设提供时钟，为CorTex系统定时器提供时钟（SysTick）、为内核提供时钟（FCLK）；

AHB总线时钟时钟经SystemInit函数初始化以后的状态为168MHz；HCLK=SYSCLK;

HCLK是通过系统时钟分频得到的，分频因子可以是1、2、4、8、16、128、256、512。通过CFGR、HPRE寄存器进行控制；

2.8 PCLK1

PCLK1：APB1总线时钟；PCLK1（APB1总线时钟）由PCLK经过低速APB1预分频得到，分频因子可以是1、2、4、8、16。PCLK1属于低速的总线时钟，最高可以为42MHz；APB1总线时钟经SystemInit函数初始化以后的状态为42MHz；PCLK1=SYSCLK/4;

PCLK1为APB1总线的外设提供时钟。1 或 2 倍频之后则为APB1总线的定时器2~7 提供时钟；

2.9 PCLK2

PCLK2：APB2总线时钟；由PCLK经过高速APB2预分频得到，分频因子可以是1、2、4、8、16。PCLK2属于高速的总线时钟，最高可以达到72MHz。APB2总线时钟为APB2总线的外设提供时钟。精确的说是为APB2的定时器1和8 提供时钟，最大为84M。APB2总线时钟时钟经SystemInit函数初始化以后的状态为84MHz；PCLK2=SYSCLK/2；

 见时钟树的APBx外设时钟和APBx定时器时钟；

2.10 RTC/AWU

一旦选定 RTCCLK 时钟源后，要想修改所做选择，只能复位电源域。

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。

如果选择 LSE 作为 RTC（实时时钟） 时钟，则系统电源丢失时 RTC 仍将正常工作。

如果选择 LSI 作为 AWU（自动唤醒单元）时钟，则在系统电源丢失时将无法保证 AWU 的状态。如果 HSE 振荡器通过一个介于 2 和 31 之间的值进行分频，则在备用或系统电源丢失时将无法保证 RTC 的状态。

3 SysTick定时器

3.1 为什么会有Systick定时器？

        SysTick定时器被捆绑在NVIC(中断优先级)中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15）。在以前，大多操作系统需要一个硬件定时器来产生操作系统需要的滴答中断，作为整个系统的时基。例如，为多个任务许以不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统；或者把每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，还有操作系统提供的各种定时功能，都与这个滴答定时器有关。因此，需要一个定时器来产生周期性的中断，而且最好还让用户程序不能随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节律。

3.2 SysTick定时器的作用 

        SysTick是一个24位的倒计数定时器，计到0时，将从RELOAD寄存器中自动重装载定时初值。只要不把他在SysTick控制及状态寄存器中的使能位清除，就永不停歇，即使在睡眠模式下也能工作；

        SysTick定时器除了能服务于操作系统之外，还可以作为一个时钟，用于测量时间。但是需要注意：当处理器在调试期间被喊停时，SysTick定时器也会暂停运作；SysTick定时器常用来做延时，或者实时系统的心跳时钟；

        SysTick定时器能产生中断；SysTick中断的优先级也可以设置；

        定时器的作用简单来说就是我们在中断中定义一个时间，时间会从当前值Value--；当减到0以后，重装载寄存器会重装载到定义的值，也就是回到定义的数值，源源不断的进行减减；就像51单片机里面的定时器中断一样，我定义interruptCount=1000,1000--；执行中断的内容；if（interruptCount==0）{interruptCount=1000；}源源不断的进行；

3.3 SysTick定时器的寄存器

有4个寄存器控制SysTick定时器：

SysTick控制及状态寄存器：

COUNTFLAG：16位，读取寄存器，复位值0，如果在上次读取本寄存器后，SysTick已经数到了0，则该位为1。如果读取该位，该位将自动清0；

CLKSOURCE：2位，读写寄存器，复位值0，0=外部时钟源(STCLK)，1=内核时钟(FCLK)；外部时钟源是AHB总线时钟的1/8，内核时钟是HCLK时钟；

TICKINT：1位，读写寄存器，复位值0，1=SysTick倒数到0时产生SysTick异常请求；(确定我们是否要产生中断)

ENABLE：0位，读写寄存器，复位值0，SysTick定时器的使能位；(使能)；

SysTick重装载数值寄存器：

RELOAD：23:0位段，读写寄存器，复位值0，当倒数至零时，将被重装载值；

SysTick当前数值寄存器：

CURRENT：23:0位段，读写寄存器，复位值0，读取时返回当前倒计数的值，写入时他则使之清0，同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG标志；

SysTick校准数值寄存器：

NOREF：31位，读取寄存器，1=没有外部参考时钟（STCLK不可用），0=外部参考时钟可用；

SKEW：30位，读取寄存器，1=校准值不是准确的10ms，0=校准值是准确的10ms；

TENMS：23:0位，读写寄存器，10ms时间内倒计数的格数；

配置函数：SysTick_CLKSourceConfig（）；

SysTick_Config（uint32_t ticks）；初始化SysTick，时钟为HCLK，并开启中断；

void SysTick_Handler（void）；中断服务函数；

4. IO引脚复用和映射

STM32F4有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与GPIO复用的。也就是说，一个GPIO如果可以复用为内置外设的功能引脚，那么当这个GPIO作为内置外设使用的时候，就叫做复用。

ag. 引脚上标注  PC11——PC11/SPI3 MISO/U3 RX/U4 RX/SDIO D3/DCMI D4/I2S3ext SD   那么，PC11可以作为SPI3_MISO/U3_RX/U4_RX/SDIO_D3/DCMI_D4/I2S3ext_SD等复用功能输出；但是这么多的复用功能，如果同时的全部开启，系统会乱套；STM32F4的复用选择功能可以让PC11仅连接到某个特定的外设，防止相互之间的干扰；

STM32F4系列微控制器IO引脚通过一个复用器连接到内置外设或模块。该复用器一次只允许一个外设的复用功能（AF）连接到对应的IO口。这样可以确保共用同一个IO引脚的外设之间不会发生冲突。 

我们配置相应的寄存器GPIOx_AFRL或者GPIOx_AFRH，让对应引脚通过复用器连接到对应的复用功能外设。GPIOx_AFRH控制的是一组IO口的高八位，GPIOx_AFRL控制的是一组IO口的低八位。

对于外设复用功能的配置，除了ADC和DAC要将IO配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为复用功能模式，这个配置是在IO口对应的GPIOx_MODER寄存器中配置的。同时要配置GPIOx_AFRH或者GPIOx_AFRL寄存器，将IO口通过复用器连接到所需要的复用功能对应的AFx。

通过MCU微控制器的PA9和PA10引脚我们来介绍一下如何配置串口1为复用功能：

1. 首先打开IO时钟和复用功能时钟(切记：32不同于51的最大区别就是想要使用任何外设，必须先对外设所对应时钟的寄存器进行使能)

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); ---使能GPIOA时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); ---使能USART1时钟

2. 在初始化GPIO口的寄存器GIPOx_MODER中将所需的IO配置为复用功能(ADC和DAC设置为模拟通道)

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;---复用功能

3. 配置GPIOx_AFRL或者GPIOx_AFRH寄存器，将IO连接到所需的AFx。

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); ---PA9复用为USART1

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1); ---PA10复用为USART1

5. NVIC中断优先级

CM4内核支持256个中断，其中包含了16个内核中断和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置；开发板STM32F4xx系列共92个中断，包括10个内核中断和82个可屏蔽中断；其中最常用的就是82个可屏蔽中断；

5.1 中断寄存器

ISER[8]：

ISER全称是：Interrupt Set-Enable Registers，这是一个中断使能寄存器组。

CM4内核支持256个中断，在ISER中用8个32位寄存器来控制；要想使能某个中断，必须设置相应的ISER位为1，使该中断使能(但需要注意：这里也仅仅是使能，要想设置一个完整的中断还需要配合中断分组、屏蔽、IO口映射)

ICER[8]：

ICER全称是：Interrupt Clear-Enable Registers，是一个中断除能寄存器组。

除能---使能；正如其名，该寄存器和ISER作用正好相反，是用来清除某中断使能的；NVIC的这些寄存器都是写1有效的，写0是无效的。

ISPR[8]：

ISPR全称是：Interrupt Set-Pending Registers，是一个中断挂起控制寄存器组。

通过置1，将正在进行的中断挂起，而执行同级或更高级别的中断。

ICPR[8]：

ICPR全称是：Interrupt Clear-Pending Registers，是一个中断解挂控制寄存器组。

通过置1，可以将挂起的中断解挂；

IABR[8]：

IABR全称是：Interrupt Active Bit Registers，是一个中断激活标志位寄存器组。

对应位所代表的中断和ISER一样，如果为1，则表示该位所对应的中断正在被执行。这是一个只读寄存器，通过它可以知道当前在执行的中断是哪一个。在中断执行完了由硬件自动清零。 

IP[240]：-----------NVIC寄存器中最重要的寄存器

IP全称是：Interrupt Priority Registers，是一个中断优先级控制的寄存器组。

IP寄存器由240个8bit寄存器组成，8bit的高四位和低四位分别表示抢占优先级和响应优先级；抢占优先级在前；

 规则：

1. 抢占优先级的级别高于响应优先级。而数值越小所代表的优先级就越高。

2. 如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，看哪个中断先发生就先执行。

3. 高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低强占优先级中断的。

ag. 假定设置中断优先级组为2，然后设置中断3(RTC_WKUP中断)的抢占优先级为2，响应优先级为1。中断6（外部中断0）的抢占优先级为3，响应优先级为0。中断7（外部中断1）的抢占优先级为2，响应优先级为0。那么这3个中断的优先级顺序为：中断7>中断3>中断6。 切记：抢占优先级数值越小，所代表的优先级就越高。

5.2 NVIC中断优先级设置函数

1. 首先进行中断优先级分组：NVIC_PriorityGroupConfig

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);  --- 根据上述表格，设置2位抢占优先级，2位响应优先级；

2. 中断初始化函数NVIC_Init 

中断初始化函数和GPIO初始化函数是一样的，是用结构体来进行初始化的；其共有4个成员变量；

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;---定义结构体变量NVIC_InitStructure

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;---初始化的是哪一个中断(串口1)

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;---中断的抢占优先级别(抢占优先级1)

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;---中断的响应优先级别(响应优先级2)   子优先级就是响应优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; ---中断通道是否使能(使能)

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); ---取地址，初始化NVIC寄存器

5.3 中断优先级设置步骤

1. 系统运行开始的时候设置中断分组。确定组号，也就是确定抢占优先级和响应优先级的分配位数。调用函数为NVIC_PriorityGroupConfig();   main函数

2. 设置所用到的中断的中断优先级别。对每个中断调用函数为NVIC_Init();