STM32学习之总线与时钟

2024-02-16 19:14:10

前言

上一篇博客复习了C语言，这一篇博客主要是学习STM32F407中的总线与时钟，这一部分对计算机组成原理的知识有一定的要求，

这一部分极其枯燥，但是十分重要，望仔细学习

学习资料来自：STM32F407最小系统板开发指南-库函数版本_V1.1.pdf
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总线

STM32F4 的总线架构比 51 单片机就要强大很多了。
STM32F4 总线架构的知识可以在《STM32F4XX 中文参考手册》第二章有讲解，这里我们也把这一部分知识抽取出来讲解，是为了大家在学习 STM32F4 之前对系统架构有一个初步的了解。
这里的内容基本也是从中文参考手册中参考过来的，让大家能通过我们手册也了解到，免除了到处找资料的麻烦吧。
如果需要详细深入的了解 STM32 的系统架构，还需要多看看《STM32F4XX 中文参考手册》或者在网上搜索其他相关资料学习。
我们这里所讲的 STM32F4 系统架构主要针对的 STM32F407 系列芯片。

架构图

首先我们看看STM32 的总线架构图：
STM32学习之总线与时钟

主系统由 32 位多层 AHB 总线矩阵构成。
总线矩阵用于主控总线之间的访问仲裁管理。仲裁采取循环调度算法。总线矩阵可实现以下部分互联：
八条主控总线是：

  • Cortex-M4 内核 I 总线, D 总线和 S 总线;
  • DMA1 存储器总线, DMA2 存储器总线;
  • DMA2 外设总线;
  • 以太网 DMA 总线;
  • USB OTG HS DMA 总线;
    七条被控总线：
  • 内部 FLASH ICode 总线;
  • 内部 FLASH DCode 总线;
  • 主要内部 SRAM1(112KB)
  • 辅助内部 SRAM2(16KB);
  • 辅助内部 SRAM3(64KB) (仅适用 STM32F42xx 和 STM32F43xx 系列器件);
  • AHB1 外设 和 AHB2 外设;
  • FSMC;

功能讲解

下面我们具体讲解一下图中几个总线的知识。

  1. I 总线(S0)：
    此总线用于将 Cortex-M4 内核的指令总线连接到总线矩阵。内核通过此总线获取指令。此总线访问的对象是包括代码的存储器。
  2. D 总线(S1)：
    此总线用于将 Cortex-M4 数据总线和 64KB CCM 数据 RAM 连接到总线矩阵。内核通过此总线进行立即数加载和调试访问。
  3. S 总线(S2)：
    此总线用于将 Cortex-M4 内核的系统总线连接到总线矩阵。此总线用于访问位于外设或 SRAM 中的数据。
  4. DMA 存储器总线（S3,S4）：
    此总线用于将 DMA 存储器总线主接口连接到总线矩阵。DMA 通过此总线来执行存储器数据的传入和传出。
  5. DMA 外设总线：
    此总线用于将 DMA 外设主总线接口连接到总线矩阵。DMA 通过此总线访问 AHB 外设或执行存储器之间的数据传输。
  6. 以太网 DMA 总线:
    此总线用于将以太网 DMA 主接口连接到总线矩阵。以太网 DMA通过此总线向存储器存取数据。
  7. USB OTG HS DMA 总线(S7)：
    此总线用于将 USB OTG HS DMA 主接口连接到总线矩阵。USB OTG HS DMA 通过此总线向存储器加载/存储数据。

对于系统架构的知识，在刚开始学习 STM32 的时候只需要一个大概的了解，大致知道是个什么情况即可。对于寻址之类的知识，这里就不做深入的讲解，中文参考手册都有很详细的讲解。

时钟

STM32F4 时钟系统的知识在《STM32F4 中文参考手册》第六章复位和时钟控制章节有非常详细的讲解，网上关于时钟系统的讲解也基本都是参考的这里，讲不出啥特色，这些知识也不是什么原创，纯粹根据官方提供的中文参考手册和自己的应用心得来总结的，如有不合理之处望大家谅解。
这部分对于计算机组成原理的知识有一定的要求

STM32F4 时钟树概述

众所周知，时钟系统是 CPU 的脉搏，就像人的心跳一样。所以时钟系统的重要性就不言而喻了。
STM32F4 的时钟系统比较复杂，不像简单的 51 单片机一个系统时钟就可以解决一切。
于是有人要问，采用一个系统时钟不是很简单吗？为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
因为首先 STM32 本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及 RTC 只需要几十 k 的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

总述

首先让我们来看看 STM32F4 的时钟系统图
STM32学习之总线与时钟
在 STM32F4 中，有 5 个最重要的时钟源，为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。
其中 PLL 实际是分为两个时钟源，分别为主 PLL 和专用 PLL。
从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，在这 5 个中 HSI，HSE 以及 PLL 是高速时钟，LSI 和 LSE 是低速时钟。
从来源可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中 HSE 和LSE 是外部时钟源，其他的是内部时钟源。

功能讲解

  1. LSI 是低速内部时钟，RC 振荡器，频率为 32kHz 左右。供独立看门狗和自动唤醒单元使用。
  2. LSE 是低速外部时钟，接频率为 32.768kHz 的石英晶体。这个主要是 RTC 的时钟源。
  3. 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~26MHz。我们的开发板接的是 8M 的晶振。HSE 也可以直接做为系统时钟或者 PLL 输入。
  4. HSI 是高速内部时钟，RC 振荡器，频率为 16MHz。可以直接作为系统时钟或者用作 PLL
    输入。
  5. PLL 为锁相环倍频输出。STM32F4 有两个 PLL:
    • 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。

其余细节部分请查看文档

STM32F4 时钟初始化配置

STM32F4 时钟系统初始化是在 system_stm32f4xx.c中的 SystemInit()函数中完成的。
对于系统时钟关键寄存器设置主要是在SystemInit函数中调用 SetSysClock()函数来设置的。
在设置完相关寄存器后，接下来 SystemInit 函数内部会调用 SetSysClock函数。

在配置的时候，特别需要注意的地方，就是我们还要同步修改 stm32f4xx.h 中宏定义标识符HSE_VALUE 的值为我们的外部时钟：

#if !defined (HSE_VALUE) 
#define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
 
#endif /* HSE_VALUE */

这里默认固件库配置的是 25000000，我们外部时钟为 8MHz，所以我们根据我们硬件情况修改为 8000000 即可。
那么 SystemInit 函数是怎么被系统调用的呢？
SystemInit 是整个设置系统时钟的入口函数。这个函数对于我们使用 ST提供的 STM32F4 固件库的话，会在系统启动之后先执行 main 函数，然后再接着执行 SystemInit 函数实现系统相关时钟的设置。
这个过程设置是在启动文件 startup_stm32f40_41xxx.s 中间设置的，我们接下来看看启动文件中这段启动代码：

; Reset handler
Reset_Handler PROC
 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
 IMPORT SystemInit
 IMPORT __main
 LDR R0, =SystemInit
 BLX R0
 LDR R0, =__main
 BX R0
 ENDP

这段代码的作用是在系统复位之后引导进入 main 函数，同时在进入 main 函数之前，首先要调用 SystemInit 系统初始化函数完成系统时钟等相关配置。
最后我们总结一下 SystemInit()函数中设置的系统时钟大小：

SYSCLK（系统时钟） =168MHz
AHB 总线时钟(HCLK=SYSCLK) =168MHz
APB1 总线时钟(PCLK1=SYSCLK/4) =42MHz
APB2 总线时钟(PCLK2=SYSCLK/2) =84MHz
PLL 主时钟 =168MH

这部分内容十分复杂，对模电和数电的知识储备有要求，内容很多就不再贴出来。

STM32F4 时钟使能和配置

上一部分，说明了系统复位之后调用 SystemInit 函数之后相关时钟的默认配置。
如果在系统初始化之后，我们还需要修改某些时钟源配置，或者我们要使能相关外设的时钟该怎么设置呢？这些设置实际是在 RCC 相关寄存器中配置的。因为 RCC 相关寄存器非常多，有兴趣的同学可以直接打开《STM32F4 中文参考手册》6.3 小节查看所有 RCC 相关寄存器的配置。
所以这里我们不直接讲解寄存器配置，而是通过 STM32F4 标准固件库配置方法给大家讲解。
在 STM32F4 标准固件库里，时钟源的选择以及时钟使能等函数都是在 RCC 相关固件库文件 stm32f4xx_rcc.h 和 stm32f4xx_rcc.c 中声明和定义的。大家打开 stm32f4xx_rcc.h 文件可以看到文件开头有很多宏定义标识符，然后是一系列时钟配置和时钟使能函数申明。这些函数大致可以归结为三类，一类是外设时钟使能函数，一类是时钟源和分频因子配置函数，还有一类是外设复位函数。当然还有几个获取时钟源配置的函数。
下面我们以几种常见的操作来简要介绍一下这些库函数的使用。

时钟使能函数

首先是时钟使能函数。时钟使能相关函数包括外设设置使能和时钟源使能两类。首先我们来看看外设时钟使能相关的函数：

void RCC_AHB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_AHB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_AHB3PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB3Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);

这里主要有 5 个外设时钟使能函数。5 个函数分别用来使能 5 个总线下面挂载的外设时钟，这些总线分别为：AHB1 总线，AHB2 总线，AHB3 总线，APB1 总线以及 APB2 总线。要使能某个外设，调用对应的总线外设时钟使能函数即可。
这里我们要特别说明一下，STM32F4 的外设在使用之前，必须对时钟进行使能，如果没有使能时钟，那么外设是无法正常工作的。对于哪个外设是挂载在哪个总线之下，虽然我们也可以查手册查询到，但是这里如果大家使用的是库函数的话，实际上是没有必要去查询手册的，这里我们给大家介绍一个小技巧。
如何查看？
比如我们要使能 GPIOA,我们只需要在 stm32f4xx_rcc.h 头文件里面搜索 GPIOA，就可以搜索到对应的时钟使能函数的第一个入口参数为 RCC_AHB1Periph_GPIOA，从这个宏定义标识符一眼就可以看出，GPIOA 是挂载在 AHB1 下面。
同理，对于串口 1 我们可以搜索 USART1，找到标识符为 RCC_APB2Periph_USART1，那么很容易知道串口 1 是挂载在 APB2 之下。
如何调用？
如果我们要使能 GPIOA，那么我们可以在头文件 stm32f4xx_rcc.h 里面查看到宏定义标识符 RCC_AHB1Periph_GPIOA，顾名思义 GPIOA是挂载在 AHB1 总线之下，所以，我们调用 AHB1 总线下外设时钟使能函数 RCC_AHB1PeriphClockCmd 即可。
-具体调用方式入如下：

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

同理，如果我们要使能串口 1 的时钟，那么我们调用的函数为：

void RCC_AHB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState);

具体的调用方法是：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);

还有一类时钟使能函数是时钟源使能函数，前面已经讲解过 STM32F4 有 5 大类时钟源。
这里我们列出来几种重要的时钟源使能函数：

void RCC_HSICmd(FunctionalState NewState);
void RCC_LSICmd(FunctionalState NewState);
void RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState);
void RCC_PLLI2SCmd(FunctionalState NewState);
void RCC_PLLSAICmd(FunctionalState NewState);
void RCC_RTCCLKCmd(FunctionalState NewState);

这些函数是用来使能相应的时钟源。比如我们要使能 PLL 时钟，那么调用的函数为：

void RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState);

具体调用方法如下：

RCC_PLLCmd(ENABLE);

我们要使能相应的时钟源，调用对应的函数即可。

时钟功能函数

接下来我们要讲解的是第二类时钟功能函数：时钟源选择和分频因子配置函数。这些函数是用来选择相应的时钟源以及配置相应的时钟分频系数。
比如我们之前讲解过系统时钟SYSCLK，我们可以选择 HSI,HSE 以及 PLL三个中的一个时钟源为系统时钟。那么到底选择哪一个，这是可以配置的。下面我们列举几种时钟源配置函数：

void RCC_LSEConfig(uint8_t RCC_LSE);
void RCC_SYSCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLKSource);
void RCC_HCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLK);
void RCC_PCLK1Config(uint32_t RCC_HCLK);
void RCC_PCLK2Config(uint32_t RCC_HCLK);
void RCC_RTCCLKConfig(uint32_t RCC_RTCCLKSource);
void RCC_PLLConfig(uint32_t RCC_PLLSource, uint32_t PLLM, 
uint32_t PLLN, uint32_t PLLP, uint32_t PLLQ);

比如我们要设置系统时钟源为 HSI，那么我们可以调用系统时钟源配置函数：

void RCC_HCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLK);

具体配置方法如下：

RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI);//配置时钟源为 HSI

又如我们要设置 APB1 总线时钟为 HCLK 的 2 分频，也就是设置分频因子为 2 分频，那么如果我们要使能 HSI，那么调用的函数为：

void RCC_PCLK1Config(uint32_t RCC_HCLK);

具体配置方法如下：

RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);

外设复位函数

接下来我们看看第三类外设复位函数。如下：

void RCC_AHB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_AHB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_AHB3PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB3Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);

这类函数跟前面讲解的外设时钟函数使用方法基本一致，不同的是一个是用来使能外设时钟，一个是用来复位对应的外设。这里大家在调用函数的时候一定不要混淆。
对于这些时钟操作函数，我们就不一一列举出来，大家可以打开 RCC 对应的文件仔细了解。

总结

总线与时钟部分让人头大，草草的过了一遍知识点，有点囫囵吞枣的意思了，不过我的目标也是先用起来，暂时不深究，等用到了之后再仔细学习相应的部分，未完待续 =w=

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