STM32F10x 时钟系统初学总结

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一、时钟系统

1、概述

   用通俗的话来说，时钟是单片机的“脉搏”，是单片机的驱动源，使用单片机中的任何一个外设都必须打开此外设相应的时钟。这样的好处是，在不使用某个外设的时候，关闭此时钟外设，从而可以降低系统的总功耗，进而节能，以实现低功耗的效果。

   衡量“脉搏”强度的量为xx次/分钟，在单片机中衡量时钟强度的量叫做时钟频率，即 xx 周期/秒，就是我们常说的赫兹 Hz；脉搏（心跳）每跳动一次，就会将血液能量送往全身以供使用，脉搏越快，每分钟输送能量越大，耗能越快；相对应的时钟每发送一个时钟信号，单片机处理一条指令（或一条指令的一部分），频率越高，每秒钟处理指令越多，耗能相应越快。

2、原理

  由时钟源（晶体振荡器等）产生时钟信号，该时钟信号经过分频/倍频后作为系统时钟，系统时钟经分频/倍频后作为各个外设的频率；在时钟信号发出后，单片机内部各部分收到了来自时钟的信号，执行指令（类似于触发器，由电平高低触发）。系统时钟，是处理器运行时间基准（每一条机器指令一个时钟周期）。这样每个时钟 tick 系统都会处理一步指令，这样使得工作一步一步，不会出现紊乱。所以频率越高，每秒钟处理指令数越多，速度越快。（此处为理想情况，不考虑其他外接设备造成的“木桶效应”）

   时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行指令。以 Pentium 4 2.0 为例，它的工作主频为 2.0GHz，具体来说，2.0GHz 意味着每秒钟它会产生 20 亿个时钟脉冲信号，每个时钟信号周期为 0.5 纳秒。而 Pentium 4 CPU 有 4 条流水线运算单元，如果负载均匀的话，CPU 在 1 个时钟周期内可以进行 4 个二进制加法运算。这就意味着该 Pentium 4 CPU 每秒钟可以执行 80 亿条二进制加法运算。

3、stm32 时钟概述

   STM32 本身十分复杂，外设非常多，但是在我们实际使用的过程中往往不会用到所有的外设，如果将全部外设都开启，就会造成浪费，加大耗能；所以在实际情况下，STM32 的外设时钟是独立的，可以控制使能或除能，即“打开”需要用到的外设，不用的外设是默认“关闭”的。

   使用任何外设都需要时钟才能启动，但是不同的外设所需要的时钟频率不同，都是用低速无法满足需求，都是用高速又会造成浪费。一个单片机内提供多个不同的系统时钟，可以适应更多的应用场合。不同的功能模块会有不同的时钟上限，因此提供不同的时钟，也能在一个单片机内放置更多的功能模块。对不同模块的时钟增加开启和关闭功能，可以降低单片机的功耗。并且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的 MCU 都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。所以便有了 STM32 复杂的时钟系统和时钟树。主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，也是为了降低整个芯片的耗能。

二、STM32 系统框图

图 1-stm32f10x 系统时钟框架图

图 2-stm32f10x 系统时钟框架图-官方数据手册版

1、时钟源

   stm32f10x 时钟系统总共有四个时钟源：HSE、LSE、HSI、LSI 和 PLL，其中 PLL 是由时钟信号输入再进行倍频，间接产生时钟信号，另外四个时钟源为石英晶振或 RC 振荡器，直接产生时钟信号；芯片内的其他时钟都是通过以上五个时钟源分频或倍频得来；图 1 中为蓝色方块。

(1)HSE（External high-speed clock）

  HSE Osc，高速外部时钟信号，可接晶体/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为 4MHz-16MZh；通常选用 8MHz 的晶振；

(2)LSE（External low-speed clock）

  LSE Osc，低速外部时钟，接频率为 32.768MHz 的石英晶体，为实时时钟或其他定时器时钟提供一个低功耗且准确的时钟源；

(3)HSI（Internal high-speed clock）

  HSI RC，高速内部时钟，RC 振荡器，频率为 8MHz，精度较于晶体/陶瓷谐振器较低。

(4)LSI（Internal low-speed clock）

  LSI RC，低速内部时钟，RC 振荡器，频率为 40KHz，可以在停机和待机模式下保持运行。

(5)PLL（Phase Locked Loop）

  PLL，锁相环倍频输出，时钟输入源可选择为 HSI/2、HSE 或者 HSE/2；可选择 16 种倍频 1-16；输出为锁相环倍频输出时钟（PLLCLK，最大 72MHz）。

2、选择器

   stm32f10x 芯片时钟系统中，共有 5 个频率选择器：PLLXTPRE、PLLSRC、SW、MCO、RTCSEL，功能为从多个输入时钟源中选择一个作为选择器输出；图 1 中为灰色梯形。

(1)PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry）

   PLLXTPRE，HSE 分频器作为 PLL 输入；选择 HSE 不分频或 HSE 二分频输出到 PLLSRC。

(2)PLLSRC（PLL entry clock source）

   PLLSRC，PLL 输入时钟源，选择 HSI 经二分频或者 PLLXTPRE 输出时钟作为输出时钟到 PLL；

(3)SW（System clock switch）

   SW，系统时钟切换，选择 HSI 或 HSE 或 PLL 输出作为系统时钟；

(4)MCO（Microcontroller clock output）

   MCO，微控制器时钟输出，选择不输出、系统时钟(SYSCLK)输出、内部 RC 振荡器时钟(HSI)输出、外部振荡器时钟(HSE)输出或 PLL 时钟 2 分频后输出。

(5)RTCSEL（RTC clock source selection）

   RTCSEL，RTC 时钟源选择，无时钟、LSE 振荡器作为 RTC 时钟、LSI 振荡器作为 RTC 时钟、HSE 振荡器在 128 分频后作为 RTC 时钟。

3、（预）分频器/“倍频器”

   stm32f10x 芯片时钟系统中，可供设置选择分频系数的共有 5 个预分频器和 2 个倍频器；5 个预分频器：AHB prescaler、APB1 prescaler、APB2 prescaler、ADC prescaler、USB prescaler；2 个倍频器：TIM2,3,4 Multiplier、TIM1 Multiplier；功能是将输出时钟频率倍频或分频后输出；图 1 中为绿色方形。

(1)AHB prescaler

   AHB