STM32F207时钟系统解析

在前几天的文章《晶振原理解析》中介绍了晶振如何产生时钟的，板子使用的是25M无源晶振，下文将介绍STM32F207的时钟系统如何将25M晶振时钟转换为120M系统主频时钟的。

01、时钟系统介绍

▲时钟系统专业名词缩写

时钟系统关键组成部分

01 内部高速时钟(HSI)

HSI时钟信号可以通过内部16MHZ的RC振荡器产生，可以直接用于系统时钟或者用于PLL输入。

HSI的RC振荡器的优势是：在最小成本(没有外部器件)情况下提供一个时钟源。它的启动速度要比HSE晶体振荡器更快，但是即使校准频率后，它的精度仍然小于外部晶体振荡器或陶瓷谐振器。

02 外部高速时钟(HSE)

外部高速时钟信息(HSE)可以通过两个时钟源产生：

① 外部晶体/陶瓷谐振器

② 外部用户时钟

▲两种时钟源接入示意图

03 主锁相环时钟(PLL)

STM32F2xx具有两个PLL

① 主要的PLL通过HSE或HSI提供时钟，并且有两个输出时钟；

② 专用的PLL(PLLI2S)被用于产生一个精确的时钟去实现高质量音频效果在I2S接口；

HSE/M*N/P得到PLL时钟

关于PLL锁相环说明

从1处输入，3处输出是1的N倍。

3处除以N又作为输入，当1和2的频率一样，就锁定了。(之所以图上是xN,因为从2看向3的)

04 低速外部时钟(LSE)

LSE是一个32.768KHZ低速外部晶振或陶瓷谐振器。

它的优点：提供低速但是高精度时钟给RTC外设，为时钟/日历或其他时间应用。

05低速内部时钟(LSI)

LSI RC作为一个低速时钟源，它可以运行在停止和待机模式中给独立看门狗(IWDG)和自动唤醒(AWU)。它的时钟频率在32MHZ左右。

02、代码分析

时钟初始化代码在system_stm32f2xx.c文件中，大部分时候我们不需要修改时钟代码的，各个总线的频率我们可以在文件头看到。

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  *=============================================================================
  *        Supported STM32F2xx device revision    | Rev B and Y
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        System Clock source                    | PLL (HSE)
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        SYSCLK(Hz)                             | 120000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        HCLK(Hz)                               | 120000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        AHB Prescaler                          | 1
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        APB1 Prescaler                         | 4
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        APB2 Prescaler                         | 2
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        HSE Frequency(Hz)                      | 25000000
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLL_M                                  | 25
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLL_N                                  | 240
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLL_P                                  | 2
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLL_Q                                  | 5
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLLI2S_N                               | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        PLLI2S_R                               | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        I2S input clock                        | NA
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        VDD(V)                                 | 3.3
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        Flash Latency(WS)                      | 3
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        Prefetch Buffer                        | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        Instruction cache                      | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        Data cache                             | ON
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *        Require 48MHz for USB OTG FS,          | Enabled
  *        SDIO and RNG clock                     |
  *-----------------------------------------------------------------------------
  *=============================================================================
  ******************************************************************************

在文件开始定义的有系统时钟频率的全局变量SystemCoreClock，其他地方需要时钟频率，可以直接使用该变量。

uint32_t SystemCoreClock = 120000000;

时钟配置从SystemInit函数执行，调用SystemInit的在汇编文件中startup_stm32f2xx.s（Keil编译环境）。

IMPORT  __main
    LDR     R0, =SystemInit
    BLX     R0
    LDR     R0, =__main
    BX      R0
    ENDP

在这里说明一下文档版本的问题：

▲STM32F20X_User_manual的V7版和V8版对比图

上述两图的区别是系统最大时钟从120MHZ变成了168MHZ，我的理解是同样是STM32F20X，ST由于技术进步或其他，使得新版STM32F207芯片超频支持168MHZ。

文档下载地址：

https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f2x7.html#resource

在线预览地址：

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/51/f7/f3/06/cd/b6/46/ec/CD00225773.pdf/files/CD00225773.pdf/jcr:content/translations/en.CD00225773.pdf

下面我们主要分析SystemCoreClock的120M时钟怎么从一个外部25MHZ的HSE得到的。

我们要从25MHZ的外部时钟得到120M的系统时钟，需要上图中标注的重要4点：

1、使能HSE

2、选择HSE作为主PLL的输入时钟

3、主PLL倍频后得到120MHZ时钟

4、系统时钟选择主PLL时钟输出作为系统时钟

我们找到对应的代码

1、使能HSE

/* Enable HSE */
RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

在RCC_CR寄存器(RCCclock control register RCC时钟控制器)中，有打开HSE的控制位

输入时钟

/* Configure the main PLL */
RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N << 6) | (((PLL_P >> 1) -1) << 16) |
(RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q << 24);

RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE就是配置HSE作为主PLL的输入时钟

3、主PLL倍频后得到120MHZ时钟

/* Configure the main PLL */
RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N << 6) | (((PLL_P >> 1) -1) << 16) |
                   (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q << 24);

4、配置主PLL作为系统时钟的输入时钟

/* Select the main PLL as system clock source */
RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PL

对于主PLL的配置寄存器，在RCC_PLLCFGR寄存器中有说明

整理后得知f(out)=f(in)* N / M / P

/* PLL_VCO = (HSE_VALUE or HSI_VALUE / PLL_M) * PLL_N */
#define PLL_M      25
#define PLL_N      240
/* SYSCLK = PLL_VCO / PLL_P */
#define PLL_P      2

这样就获得了120M时钟

注意：

PLL_M大于等于2且小于等于63

PLL_N大于等于64且小于等于432

PLL_P只能是2、4、6、或8

但2对应0，4对应1，6对应2，8对应3。

ST并没有使用if或case语句判断，因为对应的数据除以2减去1就是寄存器这两位的值，所以可以按照下面这样写，这种写法值得我们学习。

(((PLL_P >> 1) -1) << 16)

其他外设的时钟配置时

/* HCLK = SYSCLK / 1*/
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
/* PCLK2 = HCLK / 2*/
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;
/* PCLK1 = HCLK / 4*/
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;

03、备 注

时钟中断

可以配置外部晶振出错时的中断，还有RCC中断，因此我们可以在外部时钟出问题时，切换为内部时钟，不至于整个系统挂掉。具体见ST给的官方代码。

无源晶振不起振

没有程序，无源晶振是不起振的，需要配置RCC时钟控制寄存器的HSEON位打开或关闭HSE振荡器。具体可以看之前的文章《晶振原理解析》。

关于APB和PCLK

F207是时钟图没有显示PCLK1和PCLK2，应该就是APB1和APB2

应该指的是一个PCLK应该是PeripheralClock的简称，看F105手册

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