STM32F4 时钟树概述

2023-12-20 11:35:10

STM32F4 相对于 STM32F1 来说，时钟部分复杂了很多， STM32F4 的时钟配置，我们提供两个函数： Sys_Clock_Set 和 Stm32_Clock_Init。其中 Sys_Clock_Set 是核心的系统时钟配置函
数，由 Stm32_Clock_Init 调用，实现对系统时钟的配置。外部程序，一般调用 Stm32_Clock_Init函数来配置时钟。 sys文件夹中

STM32F4 的时钟树图（非常重要）

上图从左往右看，就是整个 STM32F4 的时钟走向。这里，我们挑选出 9 个重要的地方进行介绍（图 5.2.2.1 中标出的①~⑨）。
① 这是进入 PLL 之前的一个时钟分频系数(M)，取值范围是： 2~63，一般取 8。注意，这个分频系数，对主 PLL 和 PLLI2S 都有效。
② 这是 STM32F4 的主 PLL，该部分控制 STM32F4 的主频率（PLLCLK）和 USB/SDIO/随机数发生器等外设的频率（PLL48CK）。其中， N 是主 PLL vco 的倍频系数，其取值
范围是： 64~432； P 是系统时钟的主 PLL 分频系数，其取值范围是： 2、 4、 6 和 8（仅限这四个值）； Q 是 USB/SDIO/随机数产生器等的主 PLL 分频系数，其取值范围是：
2~15； R 没用到。
③ 这是 STM32F4 I2S 部分的 PLL，该部分主要用于设置 STM32F4 I2S 内部输入时钟频率。其中， N 是用于 PLLI2S vco 的倍频系数，其取值范围是： 192~432； R 是 I2S 时钟的分
频系数，其取值范围是： 2~7； P 和 Q 没用到。
④ 这是 PLL 之后的系统主时钟（PLLCLK）， STM32F4 的主频最高是 168Mhz，所以我们一般设置 PLLCLK 为 168Mhz(M=8,N=336,P=2)，通过 SW 选择 SYSCLK=PLLCLK
即可得到 168Mhz 的系统运行频率。
⑤ 这是 PLL 之后的 USB/SDIO/随机数发生器时钟频率，由于 USB 必须是 48Mhz 才可以正常工作，所以这个频率一般设置为 48Mhz(M=8,N=336,Q=7)。
⑥ 是 I2S 的时钟，通过 I2SSRC 选择内部 PLLI2SCLK 还是外部 I2SCKIN 作为时钟。探索者 STM32F4 开发板使用的是内部 PLLI2SCLK。
⑦ 这是 Cortex 系统定时器，也就是 SYSTICK 的时钟。上图清楚的表明 SYSTICK 的来源是 AHB 分频后再 8 分频（这个 8 分频是可以设置的，即 8 分频，或者不分频，一般使
用 8 分频），我们一般设置 AHB 不分频，则 SYSTICK 的频率为： 168M/8=21Mhz。前面介绍的延时函数，就是基于 SYSTICK 来实现的。
⑧ 这里是 STM32F4 很多外设的时钟来源，即两个总线桥： APB1 和 APB2，其中 APB1是低速总线（最高 42Mhz）， APB2 是高速总线（最高 84Mhz）。另外定时器部分，如
果所在总线（APB1/APB2）的分频系数为 1，那么就不倍频，如果不为 1（比如 2/4/8/16），那么就会 2 倍频（Fabpx*2）后，作为定时器时钟输入。
⑨ 这是 STM32F4 内部以太网 MAC 时钟的来源。对于 MII 接口来说，必须向外部 PHY芯片提供 25Mhz 的时钟，这个时钟，可以由 PHY 芯片外接晶振，或者使用 STM32F4
的 MCO 输出来提供。然后， PHY 芯片再给 STM32F4 提供 ETH_MII_TX_CLK 和ETH_MII_RX_CLK 时钟。对于 RMII 接口来说，外部必须提供 50Mhz 的时钟驱动 PHY
和 STM32F4 的 ETH_RMII_REF_CLK，这个 50Mhz 时钟可以来自 PHY、有源晶振或者 STM32F4 的 MCO。我们的开发板使用的是 RMII 接口，使用 PHY 芯片提供 50Mhz
时钟驱动 STM32F4 的 ETH_RMII_REF_CLK。
关于时钟的详细介绍，在《STM32F4xx 中文参考手册》第 6.2 节（106~113 页）有详细介绍。有不明白的地方，可以对照手册仔细研究。最后，提醒下大家， STM32F4 默认的情况下
（比如串口 IAP 时或未初始化时钟时），使用的是内部 16M 的 HSI 作为时钟的，所以不需要外部晶振也可以下载和运行代码的。
从上图可以看出 STM32F4 的时钟设计的比较复杂，各个时钟基本都是可控的，任何外设都有对应的时钟控制开关，这样的设计，对降低功耗是非常有用的，不用的外设不开启时钟，
就可以大大降低其功耗。
下面开始 Sys_Clock_Set 函数的介绍，该函数用于配置 STM32F4 的时钟，包括系统主时钟、USB/SDIO/随机数发生器时钟、 APB1 和 APB2 时钟等。该函数代码如下：

//时钟设置函数
//Fvco=Fs*(plln/pllm);
//Fsys=Fvco/pllp=Fs*(plln/(pllm*pllp));
//Fusb=Fvco/pllq=Fs*(plln/(pllm*pllq));
//Fvco:VCO 频率
//Fsys:系统时钟频率
//Fusb:USB,SDIO,RNG 等的时钟频率
//Fs:PLL 输入时钟频率,可以是 HSI,HSE 等.
//plln:主 PLL 倍频系数(PLL 倍频),取值范围:64~432.
//pllm:主 PLL 和音频 PLL 分频系数(PLL 之前的分频),取值范围:2~63.
//pllp:系统时钟的主 PLL 分频系数(PLL 之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这 4 个值!)
//pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主 PLL 分频系数(PLL 之后的分频),取值范围:2~15.
//外部晶振为 8M 的时候,推荐值:plln=336,pllm=8,pllp=2,pllq=7.
//得到:Fvco=8*(336/8)=336Mhz
// Fsys=336/2=168Mhz
// Fusb=336/7=48Mhz
//返回值:0,成功;1,失败。
u8 Sys_Clock_Set(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)
{
u16 retry=0;
u8 status=0;
RCC->CR|=1<<16; //HSE 开启
while(((RCC->CR&(1<<17))==0)&&(retry<0X1FFF))retry++;//等待 HSE RDY
if(retry==0X1FFF)status=1; //HSE 无法就绪
else
{
RCC->APB1ENR|=1<<28; //电源接口时钟使能
PWR->CR|=3<<14; //高性能模式,时钟可到 168Mhz
RCC->CFGR|=(0<<4)|(5<<10)|(4<<13);//HCLK 不分频;APB1 4 分频;APB2 2 分频.
RCC->CR&=~(1<<24); //关闭主 PLL
RCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);
//配置主 PLL,PLL 时钟源来自 HSE
RCC->CR|=1<<24; //打开主 PLL
while((RCC->CR&(1<<25))==0);//等待 PLL 准备好
FLASH->ACR|=1<<8; //指令预取使能.
FLASH->ACR|=1<<9; //指令 cache 使能.
FLASH->ACR|=1<<10; //数据 cache 使能.
FLASH->ACR|=5<<0; //5 个 CPU 等待周期.
RCC->CFGR&=~(3<<0); //清零
RCC->CFGR|=2<<0; //选择主 PLL 作为系统时钟
while((RCC->CFGR&(3<<2))!=(2<<2));//等待主 PLL 作为系统时钟成功.
}
return status;
}

在 Sys_Clock_Set 函数中，我们设置了 APB1 为 4 分频， APB2 为 2 分频， HCLK 不分频，同时选择 PLLCLK 作为系统时钟。该函数有 4 个参数，具体意义和计算方法，见函数前面的说
明。一般我们推荐设置为： Sys_Clock_Set(336,8,2,7)，即可设置 STM32F4 运行在 168Mhz 的频率下， APB1 为 42Mhz， APB2 为 84Mhz， USB/SDIO/随机数发生器时钟为 48Mhz。

以上代码中， RCC 和 FLASH 都是 MDK 定义的一个结构体，包含 RCC/FLASH 相关的寄存器组。其寄存器名与《STM32F4xx 中文参考手册》里面定义的寄存器名字是一摸一样的，所
以在你不明白某个寄存器干什么用的时候，可以到《STM32F4xx 中文参考手册》里面查找一下，你就可以迅速查到这个寄存器的作用以及每个位所代表的意思。特别注意，由于 FLASH 速度
远远跟不上 CPU 的运行频率，所以这里我们设置了 FLASH 的等待周期为 5，很明显， FLASH会大大拖慢程序的运行，不过 STM32F4 有自适实时存储器加速器(ART)，通过这个加速器，可
以让 STM32F4 获得相当于 0 FLASH 等待周期的运行效果。关于 STM32F4 的 FLASH 以及 ART等的介绍，请大家参考《STM32F4xx 中文参考手册》第 3.3 节（59 页开始）。
接下来，我们再看下 Stm32_Clock_Init 函数，该函数代码如下：

//系统时钟初始化函数
//plln:主 PLL 倍频系数(PLL 倍频),取值范围:64~432.
//pllm:主 PLL 和音频 PLL 分频系数(PLL 之前的分频),取值范围:2~63.
//pllp:系统时钟的主 PLL 分频系数(PLL 之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这 4 个值!)
//pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主 PLL 分频系数(PLL 之后的分频),取值范围:2~15.
void Stm32_Clock_Init(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)
{
RCC->CR|=0x00000001; //设置 HISON,开启内部高速 RC 振荡
RCC->CFGR=0x00000000; //CFGR 清零
RCC->CR&=0xFEF6FFFF; //HSEON,CSSON,PLLON 清零
RCC->PLLCFGR=0x24003010; //PLLCFGR 恢复复位值
RCC->CR&=~(1<<18); //HSEBYP 清零,外部晶振不旁路
RCC->CIR=0x00000000; //禁止 RCC 时钟中断
Sys_Clock_Set(plln,pllm,pllp,pllq);//设置时钟
//配置向量表
#ifdef VECT_TAB_RAM
MY_NVIC_SetVectorTable(1<<29,0x0);
#else
MY_NVIC_SetVectorTable(0,0x0);
#endif
}

该函数主要进行了时钟配置前的一些设置工作，然后通过调用 Sys_Clock_Set 函数，实现对 STM32F4 的时钟配置。最后，根据代码运行的位置（ FLASH or SRAM），调用函数
MY_NVIC_SetVectorTable 进行中断向量表偏移设置。MY_NVIC_SetVectorTable 函数的代码如下：

//设置向量表偏移地址
//NVIC_VectTab:基址
//Offset:偏移量
void MY_NVIC_SetVectorTable(u32 NVIC_VectTab,u32 Offset)
{
SCB->VTOR=NVIC_VectTab|(Offset&(u32)0xFFFFFE00);
//设置 NVIC 的向量表偏移寄存器,VTOR 低 9 位保留,即[8:0]保留。
}

该函数是用来配置中断向量表基址和偏移量，决定是在那个区域。当在 RAM 中调试代码的时候，需要把中断向量表放到 RAM 里面，这就需要通过这个函数来配置。关于向量表的详
细介绍请参考《Cortex M3 与 M4 权威指南》第 4.5.3 节（117 页）或者《Cortex M3 权威指南》第七章，第 113 页的向量表一章。关于 SCB->VTOR 寄存器，请参考《STM32F3 与 F4 系列 Cortex
M4 内核编程手册》第 4.4.4 节（212 页），有详细描述。

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