一千余字解读stm32时钟树

撞上电子

第一节 概述
* A$ \  [* A1 ~9 y9 R  时钟树的概念可以类比于人体的心脏和血液循环系统。就像心脏通过周期性的收缩将血液泵向身体各处一样，MCU的运行依赖于周期性的时钟脉冲来驱动。这些脉冲通常由外部晶体振荡器提供时钟输入，并最终转换为多个外部设备的周期性运作。这种时钟“能量”的传递路径类似于大树的养分由主干流向各个分支，因此被称为时钟树。
STM32内部也是由多种多样的电路模块组合在一起实现的。当一个电路越复杂，在达到正确的输出结果前，它可能因为延时会有一些短暂的中间状态，而这些中间状态有时会导致输出结果会有一个短暂的错误，这叫做电路中的“毛刺现象”，如果电路需要运行得足够快，那么这些错误状态会被其它电路作为输入采样，最终形成一系列的系统错误。为了解决这个问题，在单片机系统中，设计时以时序电路控制替代纯粹的组合电路，在每一级输出结果前对各个信号进行采样，从而使得电路中某些信号即使出现延时也可以保证各个信号的同步，可以避免电路中发生的“毛刺现象”，达到精确控制输出的效果。
( F5 U9 r$ l8 v% W9 \由于时序电路的重要性，因此在MCU设计时就设计了专门用于控制时序的电路，在芯片设计中称为时钟树设计。由此设计出来的时钟，可以精确控制我们的单片机系统。对于STM32WLE5，正常工作的主频可以达到48Mhz，但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Khz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。   
STM32本身非常复杂，外设非常的多，为了保持低功耗工作，STM32的主控默认不开启这些外设功能。用户可以根据自己的需要决定STM32芯片要使用的功能，这个功能开关在STM32主控中也就是各个外设的时钟。
第二节 时钟源            

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对于STM32，输入时钟源主要包括HSI，HSE，LSI，LSE。其中，从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，其中HSI和HSE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；其他是内部时钟源，芯片上电即可产生，不需要借助外部电路。两个外部时钟源建议使用外部晶振产生，这样的时钟精度高且稳定。
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( N$ S7 X& b6 i% l, c- r1 }以下是各时钟源的说明：   
2 [: V* p; a6 m1 t8 ?5 q6 S" F1，高速外部振荡器HSE (High Speed External Clock signal)：外接石英/陶瓷谐振器，频率为4MHz~32MHz。
2，低速外部振荡器LSE (Low Speed External Clock signal)：外接32.768kHz石英晶体，主要作用于RTC和IWDG的时钟源。
1 G7 ^+ q9 n! j2 {$ t! o3，高速内部振荡器HSI(High Speed Internal Clock signal)：由内部RC振荡器产生，频率为16MHz。
) p$ K) |6 R% Q: G- J4，低速内部振荡器LSI(Low Speed Internal Clock signal)：由内部RC振荡器产生，频率为31~32kHz。
/ R# G& s0 H) q5 L6 c/ a  a0 C芯片上电时默认由内部的 HSI 时钟启动，如果进行了硬件和软件的配置，芯片才会根据配置调试尝试切换到对应的时钟源
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4 B" S! ?2 k, q  `4 X  Q第三节 锁相环   锁相环是自动控制系统中常用的一个反馈电路，在STM32主控中，锁相环的作用主要有两个部分：输入时钟净化和倍频。前者是利用锁相环电路的反馈机制实现，后者我们用于使芯片在更高且频率稳定的时钟下工作。如图所示:   

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PLL时钟的时钟源要先经过一个分频系数为PLLM的分频器，然后经过倍频系数为N的倍频器出来之后的时候还需要经过一个分频系数为P或者Q或者R的分频器分频之后，最后才生成最终的主PLL时钟。
  O0 o6 P4 {0 Y例如我们的外部晶振选择32MHz。同时我们设置相应的分频器PLLM=8，倍频器倍频系数N=6，分频器分频系数R=2，那么PLL输出高速时钟PLLP为：32MHZ/2*6/2，即48MHZ。

第四节 系统时钟
$ ?  i# m+ h4 H2 p2 E  STM32的系统时钟SYSCLK为整个芯片提供了时序信号。讲解PLL作为系统时钟时，讲到了如何把主频通过PLL设置为48MHz。从时钟树图可知，AHB、APB1、APB2、内核时钟等时钟通过系统时钟分频得到。根据得到的这个系统时钟，下面我们结合外设来看一看各个外设时钟源：   
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! Z9 l4 R" T, Z) O+ h9 b0 k可以看到，系统时钟输入源可选时钟信号有外部高速时钟HSE32、内部高速时钟HSI16、经过倍频的PLLCLK和MSI。这里选择PLLCLK作为系统时钟，此时系统时钟的频率为48MHz。之后变成APB1，APB2和APB3。
第五节 时钟输出
8 |% \$ b3 D! l% s7 h3 I) V: i9 `" M  MCO时钟输出的作用是为外部器件提供时钟。STM32允许通过设置，通过MCO引脚输出一个稳定的时钟信号。   

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+ ~4 i  \- u# h, M% `6 \  E4 X3 K    MCO时钟输出的时钟来源从上向下依次为：LSE，LSI，HSE，HSI，PLLCLK，SYSCLK，MSI，PLLP和PLLQ。