STM32的时钟介绍

目录

  • 前言
  • 1. 简介
    • 1.1 时钟是用来做什么的
    • 1.2 时钟产生的方式
  • 2. 时钟树的组成
    • 2.1 时钟源
      • 2.1.1 内部时钟
      • 2.1.2 外部时钟
    • 2.2 PLL锁相环
    • 2.3 SYSCLK
    • 2.4 AHB和HCLK
    • 2.5 APB和PCLK
    • 2.6 总结
  • 3. STM32时钟的如何进行工作
  • 4.我的疑问
    • 4.1 使用MSI和HSI有什么区别吗?
    • 4.2 MSI的频率为什么可以调节?
  • 5. 总结
  • 6. 参考资料

前言

最近因为工作需要又重新接触到了大学时期经常使用的STM32单片机。本以为自己工作了那么多年,再加上大学时期经常使用单片机,对于在STM32上面开发应该是手到擒来。

但是在真正开发时还是碰到了很多问题,特别是时钟这块,经常被各种SYSCLK,HCLK, APB, AHB, PLL等搞的晕头转向,调试时也不知道该如何下手,于是决定花点时间把STM32单片机的时钟给梳理下,弄清楚后再进行开发,否则只是一味的去试不仅消耗时间多,而且很难得到最正确的那个解。

1. 简介

1.1 时钟是用来做什么的

时钟简单来说就是用来驱动整个芯片进行工作的,它为设备的运行提供了心跳。如果时钟速度越快,那么心跳的频率也就越快,执行指令的速度也就更快。时钟精度越高,每次心跳的间隔和周期也就更一致,出现误差的可能性就越小。

官方的说:时钟是由电路产生的具有周期性的脉冲信号,相当于单片机的心脏,要想使用单片机的外设必须开启相应的时钟。由时钟去驱动指令的执行。

1.2 时钟产生的方式

时钟一般是通过RC振荡器或者晶体振荡器、陶瓷振荡器等来提供时钟信号。

  • RC振荡器时钟

  •   -  使用了电阻(R)和电容(C)来产生振荡信号-  由于仅需要简单的电阻和电容元件,RC振荡器的成本通常比晶体振荡器、陶瓷谐振器等更低。-  精度相对较低:与晶体振荡器相比,RC振荡器的频率稳定性和精度通常较低。
    
  • 陶瓷振荡器

      - 陶瓷谐振器也是一种用于产生时钟信号的设备,它与晶体振荡器类似,但频率稳定性和精度通常没有晶体振荡器高。- 由于成本更低且尺寸较小,陶瓷谐振器常用于对频率要求不太严格的应用。
    
  • 晶体时钟振荡器

      - 晶体振荡器是一种利用晶体的共振特性产生稳定时钟信号的设备。- 它通常具有非常高的频率稳定性和准确性,适用于需要高精度时钟信号的场合,如微控制器、微处理器等。- 晶体振荡器通常需要外部连接晶体来实现工作。
    

整体上来说晶体和陶瓷振荡器相比较于RC振荡器更加稳定,精度更好,成本也更高。一般情况下单片机的HSI(内部高速时钟)使用的都是RC振荡器,外部HSE采用陶瓷和晶体等精度更高的振荡器。

2. 时钟树的组成

请添加图片描述
上图是一个STM32时钟树图,该图是从STM32CUBE MX上截取下来的。如果对单片机的时钟没有个初步了解的话,让我们直接去通过这个图去配置时钟,估计大多数人都会感觉到无从下手。下面我们就一点点去分析上面这个时钟树有哪些东西组成,相信等看完了分析后,就能有个初步的理解了。

2.1 时钟源

请添加图片描述
时钟源也就是一切时钟的源头。
STM32的时钟源总共分为两种,一种是外部时钟如HSE和LSE,另外一种是内部时钟如HSI,MSI,LSI。他们构成了时钟的源头,后续其他的PLL和SYSCLK ,HCLK ,PCLK都是由这些时钟源一部部产生的(实际上就是倍频或者分频)。

2.1.1 内部时钟

  • LSI((Low-Speed Internal RC Oscillator))

    低速内部时钟,RC振荡器

    通常工作在几十Khz范围内,用于一些低功耗模式下的定时器或者看门狗定时器功能。
    以及一些对时钟精度要求不高的场景

  • MSI(Multi-Speed Internal RC Oscillator)

    在STM32L4系列微控制器中引入的新型内部时钟源。
    MSI时钟源提供了多个可选的频率档位,可以根据应用的需求选择不同的频率,从数百千赫兹到数十兆赫兹不等。

    • 为什么会有MSI?

        灵活性:MSI的引入可以让开发者在不同的应用场景下选择合适的时钟频率,从而更好地平衡性能和功耗。功耗优化:MSI可以提供多个可调节的时钟频率选项,在低功耗模式下选择较低的频率,可以有效降低功耗。
      
    • MSI的工作原理?

      我们知道其它时钟一般都是使用固定频率的RC振荡器,但是MSI他是可以进行配置的,这是为什么呢?这是因为MSI是通过内部的数字控制单元来产生时钟信号的。在STM32微控制器中,MSI通常是一个可编程的RC振荡器,其频率可以在一定范围内进行调节。
      当需要使用MSI作为时钟源时,可以通过寄存器设置选择合适的频率,控制单元会根据设置的参数来产生相应的时钟信号。

      MSI的工作原理涉及到数字控制单元中的PLL(Phase-Locked Loop)等电路,具体细节可能会因不同型号和系列的STM32微控制器而有所差异。

  • HSI (High-Speed Internal RC Oscillator)

高速内部时钟,RC振荡器

高速内部RC振荡器,通常工作在几十兆赫兹的频率范围内。HSI时钟是STM32微控制器的主要时钟源之一,用于驱动处理器核心和大部分外设模块的正常运行。

2.1.2 外部时钟

  • HSE(High-Speed External)

    外部高速振荡器,可以连接到微控制器的晶体振荡器引脚(OSC_IN和OSC_OUT)。

    外部时钟振荡器一般采用晶体振荡器,他可以提供更高的准确性和稳定性。
    但是同时成本也更高一些

  • LSE(Low-Speed External)

    一种用于提供低速时钟信号的外部时钟源

    STM32微控制器中,LSE通常指的是外部32.768kHz晶体振荡器,因为它的频率正好是2的15次方,可以很方便地与RTC的预分频器相结合,从而实现精确的秒级时间计数。

2.2 PLL锁相环

请添加图片描述

PLL是一种电路,可根据输入的参考时钟信号生成一个高频率的时钟信号输出。在STM32中,PLL通常用于将外部晶体振荡器提供的低频时钟信号倍频,从而生成更高频率的系统时钟信号,以满足处理器核心和外设的工作频率要求。

2.3 SYSCLK

指在STM32微控制器中用于驱动整个系统的时钟信号。它是所有内部模块和外设的时钟源,对于系统的正常运行至关重要。

Sysclk的频率和稳定性直接影响着处理器的运行速度、外设的工作性能以及整个系统的功耗。

请添加图片描述

从上图可以看到SYSCLK的时钟一般来自于HSI、MSI、HSE、PLL。

然后SYSCLK的时钟通过AHB预分频器分频后传递到HCLK。

同时系统中其它的外设在初始化时也可以将自己的时钟源选择到SYSCLK。

2.4 AHB和HCLK

请添加图片描述

AHB是什么?
AHB(Advanced High-performance Bus)是一种用于连接主要系统总线和高性能外设的总线架构,它是STM32微控制器中的主要系统总线之一,用于连接处理器核、内存和高带宽外设,如DMA控制器、高速存储器接口等

为什么会有AHB?

  • 高性能需求:一些外设,比如DMA控制器、存储器接口等,需要更高的数据传输速度和带宽,而普通的总线无法满足这些要求。
  • 分流系统负载:将外设的访问流量从主系统总线中分流出来,可以减轻主系统总线的负荷,提高整个系统的效率和性能。

AHB prescaler(AHB预分频器)

是用来设置Advanced High-performance Bus(AHB)时钟频率的寄存器。通过配置AHB预分频器,可以将系统时钟(SYSCLK)分频后得到AHB总线的工作频率。

HCLK(AHB Clock)

HCLK就是AHB 总线的时钟

2.5 APB和PCLK

请添加图片描述
APB是什么?
APB代表高级外设总线(Advanced Peripheral Bus),是连接外设的总线。在STM32微控制器中,通常有两种类型的APB总线:APB1和APB2。

APB1
APB1主要连接低速外设

APB2
APB2主要连接高速外设

PCLK
APB1上的时钟为PCLK1,APB2上的时钟为PCLK2

2.6 总结

STM32的时钟首先来自于时钟源,其中HSI、HSE、MSI这些高速时钟一般是用于系统时钟(SYSCLK)的,LSI和LSE是用于低速外设的。

然后SYSCLK 分频后得到 HCLK, HCLK分频后得到PCLK1和PCLK2。

对于整个系统来说,之所以产生如此之多的时钟,是为了适配不同工作速率的硬件,大家想一下如果都用高速时钟那么功耗就很高,且会占据很多的CPU资源。然后一些外设根本用不到那么快的时钟,给他们那么高的时钟频率,不仅不会带来好处,反而会增加功耗,降低CPU的处理效率。因此通过这种多时钟的方式,去为不同的外设分配合适的时钟,可以有效降低功耗以及提升CPU的执行效率。例如CPU和FLASH需要用到高速时钟,而看门狗和RTC这些使用低速时钟就可以了。

3. STM32时钟的如何进行工作

  1. 时钟源选择

内部时钟源的选择:STM32微控制器通常包含多种内部时钟源,如LSI、MSI和HSI等,在初始化阶段需要选择合适的内部时钟源,并使能该时钟源。

外部时钟源的选择:除了内部时钟源,STM32微控制器还可以接入外部晶体振荡器或其他外部时钟源,用于提供更高精度或更高频率的时钟信号。在初始化阶段需要配置外部时钟源,并使能相应的外部时钟输入。

  1. PLL的倍频

将外部时钟信号进行倍频,从而产生更高频率的时钟信号,以满足处理器核心和外设的工作频率要求。

  1. 时钟分频

时钟信号可以通过分频器进行分频,以获得特定频率的时钟信号,适应不同模块的工作频率需求。

  1. 配置外设始终

不同的外设可以在初始化时,选择使用哪个时钟。

总的来说,时钟系统的工作原理就是通过选择合适的内部或外部时钟源,进行倍频和分频操作,将时钟信号分配给各个模块,以确保微控制器内部各个部件都能够按照预期的频率和时序工作。这样可以保证整个系统的稳定性、可靠性和性能。

4.我的疑问

4.1 使用MSI和HSI有什么区别吗?

MSI是一个多速率内部振荡器,HSI是高速内部时钟。

  • 时钟频率: MSI可以通过软件配置产生不同频率的时钟。HSI是一个固定的16MHZ的内部RC振荡器
  • 启动时间:HSI的启动时间相对较短,因为他是内部振荡器。而MSI的启动时间可能稍长一些。
  • 应用场景:HSI适用于精度要求不高的应用,如简单的控制任务,HSI可能就足够了。而对于需要更高时钟精度或者特定频率的应用 需要使用MSI进行相应的配置 精度和稳定性:MSI的主振荡器内部时钟通常具有更好的稳定性和精确度,适合对时钟精度要求较高的应用场合

4.2 MSI的频率为什么可以调节?

振荡器的频率不都是固定的吗?MSI用的什么振荡器为什么可以调节?

因为它内部集成了一个可编程的RC振荡器

5. 总结

STM32的时钟首先来自于时钟源,其中HSI、HSE、MSI这些高速时钟一般是用于系统时钟(SYSCLK)的,LSI和LSE是用于低速外设的。

然后SYSCLK 分频后得到 HCLK, HCLK分频后得到PCLK1和PCLK2。

对于整个系统来说,之所以产生如此之多的时钟,是为了适配不同工作速率的硬件,大家想一下如果都用高速时钟那么功耗就很高,且会占据很多的CPU资源。然后一些外设根本用不到那么快的时钟,给他们那么高的时钟频率,不仅不会带来好处,反而会增加功耗,降低CPU的处理效率。因此通过这种多时钟的方式,去为不同的外设分配合适的时钟,可以有效降低功耗以及提升CPU的执行效率。例如CPU和FLASH需要用到高速时钟,而看门狗和RTC这些使用低速时钟就可以了。

6. 参考资料

STM32各种时钟的区别
GPT

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