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第14章 STM32F407的电源，复位和时钟系统
本章教程继续为大家讲解学习STM32F407的必备知识点电源，复位和时钟系统。掌握这三方面的知识点对后面的学习大有裨益。
14.1 初学者重要提示
14.2 电源
14.3 硬件复位
14.4 软件复位
14.5 RCC时钟控制
14.6 总结
14.1 初学者重要提示
- 电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。
14.2 电源
电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。
14.2.1 电源供电
学习STM32F407的电源供电，往往被一堆电源标识Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，这些标识整明白了，电源供电部分也就理解了，首先看下面的框图：
这些常用标识的解释如下：
对于电源供电部分了解了这些知识点就够用。
14.2.2 电源去耦电容的选择
每个电源对 （VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。
14.3 硬件复位
所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟电路驱动的。这种电路被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。
所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。
当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。
如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。
14.3.1 上电复位和手动复位
STM32F407开发板的硬件复位原理图如下：
- STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态。
- R84和C53组成简单的RC复位电路。当系统上电瞬间，C114电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过R84给C53充电，当C53的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
- 在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
- 当按下S4轻触开关时，C53两端被短路接地，可实现手动复位CPU。
注，根据需要，大家也可以使用STM32F407 NRST引脚的内部上拉：
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14.3.2 复位序列
前面第11章的13.3.1小节讲解了复位系列的相关知识，再结合本章节的上电复位和下电复位，大家会对其有一个较全面的认识，更多复位序列的知识直接看13.3.1小节即可。
14.4 软件复位
除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm4.h文件提供，函数如下：
/**
\brief System Reset
\details Initiates a system reset request to reset the MCU.
*/
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{
__DSB(); /* Ensure all outstanding memory accesses included
buffered write are completed before reset */
SCB->AIRCR = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
(SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk ); /* Keep priority group unchanged */
__DSB(); /* Ensure completion of memory access */
for(;;) /* wait until reset */
{
__NOP();
}
}
软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：
14.5 RCC时钟控制
STM32F407有如下六种时钟可供使用：
- HSI (High-speed internal oscillator) ：
HSI是内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。
- HSE (High-speed external oscillator):
HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。
- LSE (Low-speed external oscillator)
LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。
- LSI (Low-speed internal oscillator)
LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。
通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：
14.5.1 HSE和LSE硬件设计
- HSE时钟
当前V5开发板是用的25MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：
晶振和负载电容需要尽可能近地靠近F4的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。
对于C46和C47，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C46和C47通常具有相同的值。
这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：当前V5板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到26MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：
而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-26MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：
- LSE时钟
当前V5开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：
STM32的LSE晶振起振难（又称RTC起振）是老毛病了，选取晶振和配套电容比较讲究，最好按照ST提供的厂家和配套电容选取：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87673 。
14.5.2 时钟配置
STM32F4开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到168MHz的主频。
- 第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE
配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。
#if !defined (HSE_VALUE) #define HSE_VALUE ((uint32_t)25000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */ #endif /* HSE_VALUE */
- 第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32f429xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT SystemInit
IMPORT __main
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP
以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：
1. /**
2. * @brief Setup the microcontroller system
3. * Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4. * configuration.
5. * @param None
6. * @retval None
7. */
8. void SystemInit(void)
9. {
10. /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11. #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12. SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
13. #endif
14. /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15. /* Set HSION bit */
16. RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.
18. /* Reset CFGR register */
19. RCC->CFGR = 0x00000000;
20.
21. /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22. RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.
24. /* Reset PLLCFGR register */
25. RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.
27. /* Reset HSEBYP bit */
28. RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.
30. /* Disable all interrupts */
31. RCC->CIR = 0x00000000;
32.
33. #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34. SystemInit_ExtMemCtl();
35. #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.
37. /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38. #ifdef VECT_TAB_SRAM
39. SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40. #else
41. SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42. #endif
43. }
第12行：使能FPU单元。
第16 – 31行：复位RCC相关寄存器。
第69 – 73行：设置中断向量表的位置。
- 第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到168MHz。
14.6 总结
本章节就为大家讲解这么多，本章节的知识点相对比较多，比较杂，不容易一下子都掌握了。随着后面章节的进行，还会深入的讲解这些知识点。