RCC——使用HSE/HSI配置时钟

1 RCC的主要作用——时钟部分

        RCC：reset clock control 复位和时钟控制器。

        设置系统时钟SYSCLK、设置AHB分频因子（决定HCLK等于多少）、设置APB2分频因子（决 定PCLK2等于多少）、设置APB1分频因子（决定PCLK1等于多少）、设置各个外设的分频因子； 控制AHB、APB2和APB1这三条总线时钟的开启、控制每个外设的时钟的开启。对于SYSCLK、 HCLK、PCLK2、PCLK1这四个时钟的配置一般是：PCLK2=HCLK=SYSCLK=PLLCLK=72M， PCLK1=HCLK/2 = 36M。这个时钟配置也是库函数的标准配置，我们用的最多的就是这个。

2 RCC 框图剖析—时钟部分

        在时钟树的理论中，很容易迷失在繁杂的细节中。通过选取库函数时钟系统时钟函数 SetSysClockTo72() 的编写流程，我们能够以实际的代码为主线，从而更生动、深刻地理解时钟树的配置过程。

        首先，我们关注这个函数的主要目标：将系统时钟设置为 72MHz，其中 PCLK2、HCLK、SYSCLK 都设置为 72MHz，而 PCLK1 设置为 HCLK 的一半，即 36MHz。这个函数在使用库的时候是默认的系统时钟设置函数，所以深入理解它的编写流程，就等于深入理解整个时钟树的配置过程。图1为时钟树框图。

图1 时钟树框图

 2.1 系统时钟

2.1.1 HSE 高速外部时钟信号

        在系统时钟配置的过程中，我们首先关注外部时钟源，即高速外部时钟信号（HSE）。HSE 是通过有源或无源晶振提供的高频时钟，其频率在 4MHz 到 16MHz 之间变化。在使用有源晶振时，时钟通过 OSC_IN 引脚输入，而 OSC_OUT 引脚则悬空。如果选择无源晶振，则时钟同时通过 OSC_IN 和 OSC_OUT 引脚输入，并需要配合谐振电容。

        常见的配置是选择 8MHz 的无源晶振。确定 PLL 时钟来源时，可以选择 HSE 不分频或者 2 分频，这由时钟配置寄存器 CFGR 的位17：PLLXTPRE 决定。在这里，我们设置为 HSE 不分频。

2.2.2 PLL时钟源

        接下来，考虑 PLL 时钟源的选择，它可以来自 HSE 或者 HSI/2。位于时钟配置寄存器 CFGR 的位16：PLLSRC 决定了具体选择哪个。通常，由于 HSI 的频率可能受到温度和环境的影响而漂移，我们选择将 PLL 的时钟源设置为 HSE。

2.2.3 PLL时钟PLLCLK

        对于 PLL 时钟 (PLLCLK)，我们可以通过设置 PLL 的倍频因子进行倍频。这个倍频因子可以是 [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]，具体设置由时钟配置寄存器 CFGR 的位21-18：PLLMUL[3:0] 决定。在这里，我们选择将倍频因子设置为 9，因为在前面我们已经将 PLL 的时钟来源设置为 HSE=8MHz。因此，经过 PLL 倍频后的 PLL 时钟为：PLLCLK = 8MHz * 9 = 72MHz。这个频率被ST官方推荐为稳定运行时钟，如果需要超频，可以通过增大倍频因子，最高可达 128MHz。

2.2.4 系统时钟SYSCLK

        在确定系统时钟源时，可以选择使用 HSI、PLLCLK、或 HSE。具体的选择由时钟配置寄存器 CFGR 的位1-0：SW[1:0] 决定。在这里，我们设置系统时钟（SYSCLK）为 PLLCLK，即 SYSCLK = PLLCLK = 72MHz。这一步的设定是为了确保整个系统按照我们的需求运行，保障稳定性和性能。

2.2.5 AHB 总线时钟 HCLK

        系统时钟SYSCLK经过AHB预分频器分频之后得到时钟叫APB总线时钟，即HCLK，分频因子 可以是:[1,2,4，8，16，64，128，256，512]，具体的由时钟配置寄存器CFGR的位7-4 ：HPRE[3:0] 设置。片上大部分外设的时钟都是经过HCLK分频得到，至于AHB总线上的外设的时钟设置为 多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗线条的设置好APB的时钟即可。我 们这里设置为1分频，即HCLK=SYSCLK=72M。

2.2.6 APB2总线时钟 PCLK2

        APB2总线时钟PCLK2由HCLK经过高速APB2预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]， 具体由时钟配置寄存器CFGR的位13-11：PPRE2[2:0]决定。HCLK2属于高速的总线时钟，片上 高速的外设就挂载到这条总线上，比如全部的GPIO、USART1、SPI1等。至于APB2总线上的 外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗线条的设置好 APB2 的时钟即可。我们这里设置为1分频，即PCLK2=HCLK=72M。

2.2.7 APB1 总线时钟 PCLK1

        APB1 总线时钟PCLK1由HCLK经过低速APB预分频器得到，分频因子可以是:[1,2,4，8，16]， 具体的由时钟配置寄存器CFGR的位10-8：PRRE1[2:0]决定。PCLK1属于低速的总线时钟，最 高为36M，片上低速的外设就挂载到这条总线上，比如USART2/3/4/5、SPI2/3，I2C1/2等。至于 APB1 总线上的外设的时钟设置为多少，得等到我们使用该外设的时候才设置，我们这里只需粗 线条的设置好APB1的时钟即可。我们这里设置为2分频，即PCLK1=HCLK/2=36M。

2.2.8 设置系统时钟库函数

        上面的 7 个步骤对应的设置系统时钟库函数如下，该函数截取自固件库文件 sys tem_stm32f103xe.c。为了方便阅读，我已把互联型相关的代码删掉，把英文注释翻译成了中文， 并把代码标上了序号，总共七个步骤。该函数是直接操作寄存器的，有关寄存器部分请参考数据 手册的RCC的寄存器描述部分。

void HSE_SetSysClock(void)
 {
 RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
 RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};
 /* Enable HSE Oscillator and activate PLL with HSE as source */
 oscinitstruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
 oscinitstruct.HSEState
 = RCC_HSE_ON;
 oscinitstruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
 oscinitstruct.PLL.PLLState
 = RCC_PLL_ON;
 oscinitstruct.PLL.PLLSource
 oscinitstruct.PLL.PLLMUL
 = RCC_PLLSOURCE_HSE;
 = RCC_PLL_MUL9;
 if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK) {
 /* Initialization Error */
 while (1);
 }
 /* Select PLL as system clock source and configure the HCLK, PCLK1
 and PCLK2 clocks dividers */
 clkinitstruct.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
 RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
 clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
 clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
 if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
 {
 /* Initialization Error */
 while (1);
 }
 }
 void HSI_SetSysClock(void)
 {
 RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
 RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};
 /* Enable HSE Oscillator and activate PLL with HSE as source */
 oscinitstruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
 oscinitstruct.HSEState
 = RCC_HSE_ON;
 oscinitstruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
 oscinitstruct.PLL.PLLState
 = RCC_PLL_ON;
 oscinitstruct.PLL.PLLSource
 oscinitstruct.PLL.PLLMUL
 = RCC_PLLSOURCE_HSE;
 = RCC_PLL_MUL9;
 if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK) {
 /* Initialization Error */
 while (1);
 }
 /* Select PLL as system clock source and configure the HCLK, PCLK1
 and PCLK2 clocks dividers */
 clkinitstruct.ClockType = (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
 RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
 clkinitstruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
 clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
 if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct, FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
 {
 /* Initialization Error */
 while (1);
 }
}

2.2 其他时钟

2.2.1 USB时钟

        USB时钟是由PLLCLK经过USB预分频器得到，分频因子可以是：[1,1.5]，具体的由时钟配置寄 存器CFGR的位22：USBPRE配置。USB的时钟最高是48M，根据分频因子反推过来算，PLLCLK 只能是48M或者是72M。一般我们设置PLLCLK=72M，USBCLK=48M。USB对时钟要求比较 高，所以PLLCLK只能是由HSE倍频得到，不能使用HSI倍频。

2.2.2 Cortex系统时钟

        Cortex 系统时钟由 HCLK 8 分频得到，等于 9M，Cortex 系统时钟用来驱动内核的系统定时器 SysTick，SysTick 一般用于操作系统的时钟节拍，也可以用做普通的定时。

2.2.3 ADC 时钟

        ADC 时钟由PCLK2经过ADC预分频器得到，分频因子可以是[2,4,6,8]，具体的由时钟配置寄 存器CFGR的位15-14：ADCPRE[1:0] 决定。很奇怪的是怎么没有1分频。ADC时钟最高只能 是14M，如果采样周期设置成最短的1.5个周期的话，ADC的转换时间可以达到最短的1us。如 果真要达到最短的转换时间1us的话，那ADC的时钟就得是14M，反推PCLK2的时钟只能是： 28M、56M、84M、112M，鉴于PCLK2最高是72M，所以只能取28M和56M。

2.2.4 RTC 时钟、独立看门狗时钟

        RTC时钟可由HSE/128分频得到，也可由低速外部时钟信号LSE提供，频率为32.768KHZ，也可由 低速内部时钟信号LSI提供，具体选用哪个时钟由备份域控制寄存器BDCR的位9-8：RTCSEL[1:0] 配置。独立看门狗的时钟由LSI提供，且只能是由LSI提供，LSI是低速的内部时钟信号，频率 为30~60KHZ直接不等，一般取40KHZ。

2.2.5 MCO 时钟输出

        MCO 是microcontroller clock output 的缩写，是微控制器时钟输出引脚，在 STM32 F1 系列中由 PA8 复用所得，主要作用是可以对外提供时钟，相当于一个有源晶振。MCO的时钟来源可以是： PLLCLK/2、HSI、HSE、SYSCLK，具体选哪个由时钟配置寄存器CFGR的位26-24：MCO[2:0]决 定。除了对外提供时钟这个作用之外，我们还可以通过示波器监控MCO引脚的时钟输出来验证 我们的系统时钟配置是否正确。

3 配置系统时钟实验

3.1 使用 HSE

        一般情况下，我们都是使用HSE，然后HSE经过PLL倍频之后作为系统时钟。通常的配置是： HSE=8M，PLL 的倍频因子为：9，系统时钟就设置成:SYSCLK=8M*9=72M。使用HSE，系 统时钟最高为72M，这个是官方推荐的最高的稳定时钟，如果你想铤而走险，也可以超频，超频 最高能到128M。当程序来到main函数之前，启动文件：statup_stm32f103.s已经调用SystemInit() 函数把系统时钟初始化成72MHZ，SystemInit()在库文件：system_stm32f103xe.c中定义。如果我 们想把系统时钟设置低一点或者超频的话，可以修改底层的库文件，但是为了维持库的完整性， 我们可以根据时钟树的流程自行写一个。

3.2 使用 HSI

        当HSE故障的时候，如果PLL的时钟来源是HSE，那么当HSE故障的时候，不仅HSE不能使 用，连PLL也会被关闭，这个时候系统会自动切换HSI作为系统时钟，此时SYSCLK=HSI=8M， 如果没有开启CSS和CSS中断的话，那么整个系统就只能在低速率运行，这是系统跟瘫痪没什 么两样。如果开启了CSS功能的话，那么可以当HSE故障时，在CSS中断里面采取补救措施， 使用HSI，并把系统时钟设置为更高的频率，最高是64M，64M的频率足够一般的外设使用，如： ADC、SPI、I2C等。但是这里就又有一个问题了，原来SYSCLK=72M，现在因为故障改成64M， 那么那些外设的时钟肯定被改变了，那么外设工作就会被打乱，那我们是不是在设置HSI时钟的 时候，也重新调整外设总线的分频因子，即AHB，APB2和APB1的分频因子，使外设的时钟达 到跟HSE没有故障之前一样。但是这个也不是最保障的办法，毕竟不能一直使用HSI，所以当 HSE 故障时还是要采取报警措施。 还有一种情况是，有些用户不想用HSE，想用HSI，但是又不知道怎么用HSI来设置系统时钟，因为调用库函数都是使用HSE，下面我们给出个使用HSI配置系统时钟例子，起个抛砖引玉的作用。

3.3 硬件设计

1. RCC

2. LED一个

        RCC 是单片机内部资源，不需要外部电路。通过LED闪烁的频率来直观的判断不同系统时钟频 率对软件延时的效果。

3.4 软件设计

我们编写两个RCC驱动文件，bsp_clkconfig.h和bsp_clkconfig.c，用来存放 RCC系统时钟配置函 数。

3.4.1 编程要点

编程要点对应着时钟树图中的序号。

1、开启HSE/HSI，并等待HSE/HSI稳定

2、设置AHB、APB2、APB1的预分频因子

3、设置PLL的时钟来源，和PLL的倍频因子，设置各种频率主要就是在这里设置

4、开启PLL，并等待PLL稳定

5、把PLLCK切换为系统时钟SYSCLK

6、读取时钟切换状态位，确保PLLCLK被选为系统时钟

3.4.2 代码分析

这里只讲解核心的部分代码

3.4.2.1 使用 HSE 配置系统时钟

//HSE作为系统时钟来源
void HSE_SetSysClock(void)
 {
 RCC_ClkInitTypeDef clkinitstruct = {0};
 RCC_OscInitTypeDef oscinitstruct = {0};
 /* 使能 HSE，并以 HSE 作为 PLL 时钟源 */
 oscinitstruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
 oscinitstruct.HSEState
 = RCC_HSE_ON;
 oscinitstruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
 oscinitstruct.PLL.PLLState
 = RCC_PLL_ON;
 oscinitstruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
 oscinitstruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
 if (HAL_RCC_OscConfig(&oscinitstruct)!= HAL_OK){
 /*初始化错误*/
 while (1);
 }
 /*选择PLL作为系统时钟源并配置HCLK,
 PCLK1和PCLK2分频系数*/
 clkinitstruct.ClockType= (RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|
 RCC_CLOCKTYPE_HCLK| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1
 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
 clkinitstruct.SYSCLKSource= RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
 clkinitstruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB2CLKDivider= RCC_HCLK_DIV1;
 clkinitstruct.APB1CLKDivider= RCC_HCLK_DIV2;
 if (HAL_RCC_ClockConfig(&clkinitstruct,FLASH_LATENCY_2)!= HAL_OK)
 {
 /*初始化错误*/
 while (1);
 }
 }

        这个函数采用库函数编写，这些宏来源于库函数的定义，宏展开是一些32位的十六进制数，具 体功能是配置了时钟配置寄存器CFGR的位21-18PLLMUL[3:0]，预先定义好倍频因子，方便调 用。

//使用 HSI 配置系统时钟
void HSI_SetSysClock(void)
 {
 RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
 RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
 /* 使能 HSI, 并以 HSI 作为 PLL 时钟源 */
 RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
 RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
 RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI_DIV2;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL16;
 if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
 while (1);
 }
 /* 选择 PLL 作为系统时钟源并配置 HCLK,
 PCLK1 和 PCLK2 分频系数 */
 RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK| RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|␣
 →RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 |RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
 RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
 RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
 RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
 RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
 if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) !=
 HAL_OK) {
 while (1);
 }
 }

        HSI 设置系统时钟函数跟HSE设置系统时钟函数在原理上是一样的，有一个区别的地方就是，HSI 必须2分频之后才能作为PLL的时钟来源，所以使用HSI时，最大的系统时钟SYSCLK只 能是HSI/2*16=4*16=64MHZ。

3.4.2.2 软件延时

void Delay(__IO uint32_t nCount)
 {
 for (; nCount != 0; nCount--);
 }

软件延时函数，使用不同的系统时钟，延时时间不一样，可以通过LED闪烁的频率来判断。

3.4.2.3 MCO 输出

在 STM32F103 系列中，PA8 可以复用为 MCO 引脚，对外提供时钟输出，在 HAL 库 stm32f1xx_hal_rcc.c 中已经定义了相关函数，我们可以直接调用，用示波器监控该引脚的输出 来判断我们的系统时钟是否设置正确。

//代码15‑3MCOGPIO初始化
1 /*
 2 * 初始化 MCO 引脚 PA8
 3 * 在 F103 系列中 MCO 引脚只有一个，即 PA8，在 F4 系列中，MCO 引脚有两个
4 */
 void HAL_RCC_MCOConfig(uint32_t RCC_MCOx, uint32_t RCC_MCOSource,
 uint32_t RCC_MCODiv)
 {
 GPIO_InitTypeDef gpio = {0U};
 assert_param(IS_RCC_MCO(RCC_MCOx));
 assert_param(IS_RCC_MCODIV(RCC_MCODiv));
 assert_param(IS_RCC_MCO1SOURCE(RCC_MCOSource));
 /*Prevent unusedargument(s)compilationwarning*/
 UNUSED(RCC_MCOx);
 UNUSED(RCC_MCODiv);
 /*ConfiguretheMCO1pininalternatefunctionmode*/
 gpio.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
 gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
 gpio.Pull = GPIO_NOPULL;
 gpio.Pin = MCO1_PIN;
 /*MCO1 ClockEnable*/
 MCO1_CLK_ENABLE();
 HAL_GPIO_Init(MCO1_GPIO_PORT, &gpio);
 /*ConfiguretheMCOclocksource*/
 __HAL_RCC_MCO1_CONFIG(RCC_MCOSource,RCC_MCODiv);
 }

我们初始化MCO引脚之后，可以直接调用库函数HAL_RCC_MCOConf()来选择MCO时钟来源。

3.4.2.4 主函数

int main(void)
 {
 //使用HSI，配置系统时钟为72M
 HSE_SetSysClock();
 //LED端口初始化
 LED_GPIO_Config();
 // MCO1 输出 PLLCLK
 HAL_RCC_MCOConfig(RCC_MCO,RCC_MCO1SOURCE_PLLCLK, RCC_MCODIV_1);
 while (1)
 {
 LED2( ON );
 Delay(0x0FFFFF);
 LED2( OFF );
 // 亮
// 灭
Delay(0x0FFFFF);
 }
 }

在主函数中，可以调用HSE_SetSysClock()或者HSI_SetSysClock() 这两个函数把系统时钟设置成 各种常用的时钟，然后通过MCO引脚监控，或者通过LED闪烁的快慢体验不同的系统时钟对同 一个软件延时函数的影响。

ps：参考自野火STM32教程