STM32F103VET6之时钟树详解

目录

前言

一、时钟源

二、时钟树讲解

总结

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前言

        在嵌入式系统开发中，时钟树是一个关键的概念。对于使用STM32微控制器的开发者来说，了解和理解时钟树是必不可少的。时钟树是一个复杂的网络，它负责为各个模块提供准确的时钟信号，保证系统的正常运行。本文将为您详细介绍STM32的时钟树结构，帮助您更好地理解和应用这个重要的概念。

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一、时钟源

 系统时钟(SYSCLK)可由三种时钟源产生

1. HSI振荡器时钟： HSI是指高速内部振荡器（High-Speed Internal oscillator）。它是嵌入在微控制器内部的一个低成本、低功耗的振荡器。HSI振荡器时钟可用作微控制器的主时钟源，其频率通常为8MHz。

2. HSE振荡器时钟： HSE是指高速外部振荡器（High-Speed External oscillator）。与HSI相比，HSE振荡器时钟提供更高的准确性和稳定性。它通常由外部晶体振荡器提供，频率可以根据需求选择，例如8MHz、16MHz等。HSE振荡器时钟常用于对精确时钟要求较高的应用，如通信设备、计时器等。

3. PLL时钟： PLL是指锁相环（Phase-Locked Loop）。PLL是一种电路技术，通过将输入时钟信号与反馈信号进行比较和调整，生成输出时钟信号，其频率是输入时钟信号的整数倍或分数倍。PLL时钟在许多应用中被广泛使用，特别是在需要高性能时钟源的场合，如高速数据传输、音视频处理等。

其次还有两个二级时钟源

1. LSE OSC 32.768kHz时钟源： LSE是指低速外部晶体振荡器（Low-Speed External oscillator），其频率通常为32.768kHz。可以通过程序选择驱动RTC，RTC代表的是实时时钟（Real-Time Clock），它是一个独立的硬件模块，提供精确的时间跟踪和计时功能，即使在微控制器断电或进入低功耗模式时也能保持运行。

2. LSI RC 40kHz时钟源： LSI是指低速内部RC振荡器（Low-Speed Internal RC oscillator），其频率通常为40kHz。与LSE时钟源不同，LSI时钟源是由微控制器内部的RC振荡器产生的。由于其频率相对较低，因此LSI时钟源通常用于低功耗应用或需要较低精度时钟的场合，可以用于驱动独立看门狗和通过程序选择驱动RTC。

二、时钟树讲解

以下是各个时钟的介绍以及用途：

1. HSE（High-Speed External）时钟(高速外部时钟)：使用外部晶体振荡器作为系统时钟源，HSE时钟可通过引脚连接到外部晶体或陶瓷谐振器，并提供高精度的时钟信号。

2. HSI（High-Speed Internal）时钟(高速内部时钟)：除了外部时钟源，STM32F103VET6还内部集成了一个高精度的RC振荡器作为备用时钟源。

3. PLL（Phase-Locked Loop）时钟(锁相环时钟)：PLL是一种用于生成高频时钟的电路，PLL可以接收HSE或HSI作为输入，并通过乘法和除法器生成更高频的时钟信号，PLL时钟可以用作系统时钟源。

4. SYSCLK（System Clock）：SYSCLK是STM32F103VET6微控制器的系统时钟，用于驱动CPU和系统总线等核心模块。它可以选择来自HSE、HSI或PLL时钟。

5. AHB（Advanced High-performance Bus）时钟：AHB时钟是内部总线的时钟，用于连接核心模块、存储器和外设。AHB时钟可以通过分频器进行配置，可以满足不同的性能和功耗要求。

6. APB（Advanced Peripheral Bus）时钟：APB时钟是外设总线的时钟，用于连接外设模块。STM32F103VET6具有两个APB总线：APB1和APB2。每个APB总线都可以通过分频器进行配置。

接下来讲解系统时钟是怎么配置的

首先采用HSE高速外部振荡器产生8MHz的时钟频率，来到内部PLLXTPRE预分频选择器，用于将外部时钟信号的频率进行预分频，以适应主PLL的输入要求，PLLXTPRE有两种配置选择：

1. PLLXTPRE = 0：不进行预分频，默认情况下，外部时钟信号的频率直接作为主PLL的输入时钟频率。
2. PLLXTPRE = 1：进行预分频，外部时钟信号的频率除以2后作为主PLL的输入时钟频率。

此处选择不分频，然后到达PLLSRC时钟源选择器，用于选择主PLL的输入时钟源，可以有以下几种选项：

1. PLLSRC = 0：选择HSI作为主PLL的输入时钟源。HSI是内部高速时钟。
2. PLLSRC = 1：选择HSE作为主PLL的输入时钟源。HSE是外部晶体振荡器

这里选择HSE作为输入时钟源，时钟频率为8MHz，到达PLLMUL倍频器，用于配置主PLL倍频因子，它决定了主PLL输出时钟频率与输入时钟频率之间的倍数关系。PLLMUL可以设置为2、3、4、……、16，分别表示将主PLL输入时钟频率乘以2、3、4、……、16得到主PLL输出时钟频率。此时选择乘以9，得到锁相环时钟频率为72MHz，到此可以选择锁相环时钟作为系统系统时钟源，得到时钟频率为72MHz的系统时钟。

配置完成的系统时钟可以直接分配给部分外设，例如I2S接口、SDIO接口、FSMC接口。

I2S接口都是用于音频数据传输的串行接口，可以连接到外部音频设备或芯片。通常由以下几个信号线组成：

1. SCK（Serial Clock）：串行时钟信号，用于同步数据传输。
2. WS（Word Select）：字选择信号，用于指示发送或接收的数据字大小。
3. SD（Serial Data）：串行数据信号，用于传输音频数据。

SDIO接口是一种用于SD卡和MMC卡（多媒体卡）等存储卡设备的串行接，它允许STM32微控制器与外部存储设备进行数据交换，例如读取或写入文件、图像或音频等数据。SDIO接口能够提供高速的数据传输，并且支持SDIO卡的各种功能，如SDIO协议、SPI模式和4位SD模式等。

FSMC接口是一种用于连接外部静态存储器（如SRAM、NOR Flash、NAND Flash等）的接口。它为STM32微控制器提供了直接访问外部存储器的能力，而不需要通过CPU进行中介，支持并行数据传输，所以存储器的读取和写入操作更加迅速。

同时也能通过AHB预分频器和APB1/APB2预分频器结合使用，根据不同外设分配不同的时钟频率。

关于时钟树框图，还有两个部分需要讲解，就是CSS和MCO

CSS是一个用于检测外部晶体振荡器（HSE）故障的选项。它可以使MCU监测HSE的稳定性，并在HSE出现故障时采取相应的措施。如果启用了CSS选项，在MCU启动时会自动检测HSE的稳定性。如果HSE无法正常工作或发生故障，MCU将自动切换到备用时钟源(此时备用时钟源一般HSI内部高速时钟，时钟频率最大不超过64MHz)，以确保系统时钟的稳定性。因为启用CSS选项会增加系统时钟的复杂度和功耗。因此，在不需要对HSE进行实时监测的应用中，可以禁用CSS以提高系统效率。

MCO代表主时钟输出（Master Clock Output），它是一个可配置的引脚，用于将MCU的时钟信号输出到外部。通过配置MCO，可以将系统时钟（SYSCLK）或其他特定的时钟信号输出到MCO引脚。这样可以方便地将时钟信号连接到外部设备或其他模块，以满足特定的应用需求。MCO的输出频率可以通过设置相关的寄存器位来进行配置。可以选择不同的时钟源，并通过分频因子来调整输出频率。常见的时钟源包括系统时钟（SYSCLK）、HSE、PLL时钟等。

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总结

        时钟树作为嵌入式系统中不可或缺的组成部分，对于STM32微控制器的开发至关重要。通过本文的讲述，了解了时钟源、PLL倍频器、分频器等关键组件，时钟树的正确配置可以有效地提高系统的稳定性和可靠性，同时也有助于减少功耗和提高性能。通过合理的时钟树设计，我们能够更好地利用STM32微控制器的功能，实现各种应用需求。在实际的嵌入式项目中，深入理解和掌握STM32的时钟树还是非常有必要的，因为它直接影响系统的性能和稳定性。