江协科技STM32 12-2 BKP备份寄存器RTC实时时钟
这一节我们要讲的主要内容是RTC实时时钟，实时时钟本质上是一个定时器，但是这个定时器是专门用来产生年月日时分秒，这种日期和时间信息的。所以学会了STM32的RTC就可以在STM32内部拥有一个独立运行的钟表。想要记录或读取日期和时间，就可以通过操作RTC来实现。
RTC这个外设比较特殊，它和备份寄存器(BKP)、电源控制(PWR)这两章关联性比较强，因此在RTC这一章中，就把BKP和RTC放在一起讲。
我们首先就先介绍备份寄存器(BKP)，其实备份寄存器(BKP)和SPI章节中学过的Flash存储器类似，都是用来存储数据的，只是Flash的数据是真正的掉电不丢失；而BKP的数据是需要VBAT引脚接上备用电池来维持的，只要VBAT有电池供电，即使STM32主电源断电，BKP的值也可以维持原状。
首先我们来看一下时间戳的知识点。Unix 时间戳（Unix Timestamp）定义为从UTC/GMT的1970年1月1日0时0分0秒开始到现在所经过的秒数，不考虑闰秒。在计算机的底层我们使用秒计数器来计时，需要给人类观看时，就转换为年月日时分秒这样的格式。时间戳存储在一个秒计数器中，秒计数器为32位/64位的整型变量，计算机为了存储这样一个永不进位的秒数，这个数据变量类型还是要定义大一些，这个变量类型在不同系统中定义是不一样的。我们本节STM32中的RTC，其核心的计时部分是一个32位的可编程计数器，说明我们这款STM32，它的时间戳是32位的数据类型。世界上所有时区的秒计数器相同，不同时区通过添加偏移来得到当地时间。
GMT（Greenwich Mean Time）格林尼治标准时间是一种以地球自转为基础的时间计量系统。它将地球自转一周的时间间隔等分为24小时，以此确定计时标准。
UTC（Universal Time Coordinated）协调世界时是一种以原子钟为基础的时间计量系统。它规定铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间为1秒。当原子钟计时一天的时间与地球自转一周的时间相差超过0.9秒时，UTC会执行闰秒来保证其计时与地球自转的协调一致
接下来我们学习时间戳中秒计数器和日期时间如何进行相互转换，这时候我们需要用到time.h模块，C语言的time.h模块提供了时间获取和时间戳转换的相关函数，可以方便地进行秒计数器、日期时间和字符串之间的转换，在time.h里主要有表格内的这些主要函数
时间戳转换关系如下图所示
接下来我们学习BKP和RTC的外设部分，我们首先学习BKP的相关知识点。BKP全称Backup Registers，翻译过来就是备份寄存器，BKP的用途就是可用于存储用户应用程序数据。其特性就是当VDD（2.0~3.6V）电源被切断，他们仍然由VBAT（1.8~3.6V）维持供电。如果VDD断电，VBAT也没电，那BKP里的数据就会清零，因为BKP本质上是RAM存储器，没有掉电不丢失的能力。当系统在待机模式下被唤醒，或系统复位或电源复位时，他们也不会被复位；TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除，TEMPER是一个接到STM32外部的引脚，其位置就是VBAT旁边的2号引脚，其与PC13、RTC共用，这个TAMPER引脚是一个安全保障设计，比如如果做一个安全系数非常高的设备，设备需要有防拆功能，BKP里也存储了一些敏感数据，那就可以使能这个TEMPER引脚的侵入检测功能；设计者把下面两个RTC功能也放在了BKP中： 1.引脚输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲，RTC的引脚也是在PC13这个位置 2.存储RTC时钟校准寄存器。最后看一下BKP中，用户数据的存储容量，在中容量和小容量设备里，BKP是20个字节，在大容量和互联型设备里，BKP是84个字节。可以看出来BKP的容量其实非常小，一般只能用来存储少量的参数。BKP的简介我们就介绍到这里。
下面看一下BKP的基本结构，图中橙色部分我们可以叫做后备区域，BKP处于后备区域，但后备区域不只有BKP，还有RTC的相关电路。STM32后备区域的特性就是当VDD主电源掉电时，后备区域仍然可以由VBAT的备用电池供电，当VDD主电源上电时，后备区域供电会由VBAT切换到VDD，也就是主电源有电时，VBAT不会用到，这样可以节省电池电量。BKP是位于后备区域的，BKP里主要有数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器和RTC时钟校准寄存器。其中数据寄存器是主要部分，用来存储数据，每个数据寄存器都是16位的，也就是一个数据寄存器可以存2个字节，对于中容量和小容量的设备，里面有DR1、DR2一直到DR10，总共10个数据寄存器，那一个寄存器两个字节，所以容量是20个字节。对于大容量和互联型设备，里面除了DR1到DR10还有DR11、DR12一直到DR42，总共42个数据寄存器，容量是84个字节。侵入检测可以从PC13位置的TAMPER引脚引入一个检测信号，当TAMPER产生上升沿或者下降沿时，清除BKP所有的内容，以保证安全，时钟输出可以把RTC的相关时钟从PC13位置的RTC引脚输出出去，供外部使用。其中，输出校准时钟时，再配合校准寄存器，可以对RTC的误差进行校准。以上就是BKP外设的结构和功能。
接下来我们就继续学习以下RTC外设，RTC英文全称 Real Time Clock 中文翻译为实时时钟，在STM32中，RTC是一个独立的定时器，可为系统提供时钟和日历的功能，RTC实时时钟，一般就指提供年月日时分秒这种日期时间信息的计时装置；RTC和时钟配置系统处于后备区域，系统复位时数据不清零，VDD（2.0~3.6V）断电后可借助VBAT（1.8~3.6V）供电继续走时；其内部设有32位的可编程计数器，可对应Unix时间戳的秒计数器。在读取时间时，我们先得到这个计数器中的秒数，然后使用time.h模块里的localtime函数就能立刻知道年月日时分秒的信息了，在写入时间时，我们先填充年月日时分秒信息到struct tm结构体，然后用mktime函数得到秒数，再写入到这个32位计数器即可。RTC外设中配有20位的可编程预分频器，可适配不同频率的输入时钟，由于32位的秒计数器显然1秒要自增一次，所以驱动计数器的时钟，需要是一个1Hz的信号，但是实际提供给RTC模块的时钟，也就是RTCCLK一般频率都比较高。所以显然我们需要在RTCCLK和计数器时钟输入之间加入一个分频器，给RTCCLK降一降频率，保证分频器输出给计数器的频率为1Hz。那为了适配各种频率的RTCCLK，就在其中间加入了一个20位的分频器，可以选择对输入时钟进行1-2^20这么大范围的分频，这样就可以适配不同频率的输入时钟，这就是这个可编程分频器的作用；可选择三种RTC时钟源：1. HSE时钟除以128（通常为8MHz/128） 2. LSE振荡器时钟（通常为32.768KHz） 3. LSI振荡器时钟（40KHz） 这三个时钟可以选择其中一个介入到RTCCLK。
在时钟树中，高速时钟一般供内部程序运行和主要外设使用；低速时钟一般供RTC、看门狗这些东西使用，红色所圈出来的地方最右侧箭头通往RTC，就是RTCCLK，RTCCLK有三个来源，第一个是OSC引脚接的HSE，外部高速晶振，这个晶振是主晶振，一般用的8MHz，8MHz进来，通过128分频，可以产生RTCCLK信号，128分频的原因是8MHz的主晶振太快了，如果不提前分频，直接给RTCCLK，后续即使再通过RTC的20位分频器也分不到1Hz这么低的频率。中间这一路的时钟来源是LSE，外部低速晶振，我们在OSC32这两个引脚接上外部低速晶振，这个晶振产生的时钟可以直接提供给RTCCLK，这个OSC32的晶振是内部RTC的专用时钟，这个晶振的值也不是随便选的，通常跟RTC有关的晶振，都是统一的数值，就是32.768KHz，选择这个数值的原因是32KHz这个值附近的频率是这个晶振工艺比较合适的频率，另一方面是32768是一个2的次方数，2^15 = 32768 ，所以32.768KHz即32768Hz，经过一个15位分频器的自然溢出，就能很方便地得到1Hz的频率。自然溢出的意思就是设计一个15位的计数器，这个计数器不用设置计数目标，直接从0计到最大值，就是计到32767，计满后自然溢出，这个溢出信号就是1Hz。所以，目前在RTC电路中，基本都是清一色的32.768KHz的晶振。最后第三路时钟源来自LSI，内部低速RC振荡器，LSI固定是40kHz，如果选择LSI当作RTCCLK，后续再经过40K的分频，就能得到1Hz的计数时钟了。当然内部的RC振荡器一般精准度没有外部晶振高，所以LSI给RTCCLK可以当作一个备选方案。另外LSI还可以提供给看门狗，这个之后我们讲看门狗的时候再说。
这三路时钟中我们最常用的就是中间这一路外部32.768KHz的晶振，提供RTCCLK的时钟。不仅因为中间这一路32.768KHz的晶振本身就是专供RTC使用的，其余的时钟其实各自都有各自的主要任务，另外一个更重要的原因就是只有中间这一路的时钟可以通过VBAT备用电池供电，上下两路时钟，在主电源断电后，是停止运行的。所以要想实现RTC主电源掉电继续走时的功能，必须选择中间这一路的RTC专用时钟。
接下来我们看一下RTC的框图，看一下RTC外设具体是怎么设计的。先整体上划分一下，左边的一块是核心的分频和计数计时部分，右边这一块是中断输出使能和NVIC部分，最上面一块是APB1总线读写部分，最下面一块是和PWR关联的部分，意思就是RTC的闹钟可以唤醒设备，推出待机模式。在图中，有灰色填充的部分都处于后备区域，这些电路在主电源掉电后，可以使用备用电池维持工作，其他未被填充的部分就是待机时不供电，有关睡眠、停机、待机这些低功耗相关的内容，我们下节学PWR的时候再细讲。
我们依次详细看一下。首先看分频和计数计时部分，这一块的输入时钟是RTCCLK，RTCCLK的来源需要在RCC里进行配置。因为可选的三路时钟频率各不相同，而且都远大于我们所需要的1Hz的秒计数频率，所以RTCCLK进来，需要首先经过RTC预分频器进行分频，这个分频器由两个寄存器组成，上面这个是重装载寄存器RTC_PRL，下面这个RTC_DIV，手册里叫做余数寄存器，但实际上这一块跟我们之前定时器时基单元里的计数器CNT和重装值ARR是一样的作用。分频器其实就是一个计数器，计几个数溢出一次，那就是几分频，所以对于可编程的分频器来说，需要有两个计数器，RTC_DIV寄存器用来不断地计数，另一个RTC_PRL寄存器，我们写入一个计数目标值，用来配置是几分频。那么PRL中就是计数目标，我们写入6，那就是7分频，写入9，那就是10分频；下面这个DIV，就是每来一个时钟计一个数的用途了，当然这个DIV计数器是一个自减计数器，每来一个输入时钟，DIV的值自减一次，自减到0时，再来一个输入时钟，DIV输出一个脉冲，产生溢出信号，同时DIV从PRL获取重装值，回到重装值继续自减。分频输出后的时钟频率是1Hz，提供给后续的秒计数器。然后看一下计数计时部分，32位可编程计数器RTC_CNT就是计时最核心的部分，我们可以把这个计数器看作是Unix时间戳的秒计数器，这样借助time.h的函数就可以很方便地得到年月日时分秒了，在其下面还设计有一个闹钟寄存器RTC_ALR，这个ALR也是一个32位的寄存器，和上面这个CNT是等宽的，它的作用顾名思义就是设置闹钟，我们可以在ALR写一个秒数，设定闹钟，当CNT的值跟ALR设定的闹钟值一样时，这时就会产生RTC_Alarm闹钟信号，通往右边的中断系统，在中断函数里，你可以执行相应的操作，同时这个闹钟还兼具一个功能，就是下面这里的闹钟信号可以让STM32退出待机模式。这个功能就可以对应一些用途，比如你设计一个数据采集设备，需要在环节非常恶劣的地方工作，比如海底、高原、深井这些地方，然后要求是每天中午12点采集一次环节数据，其他时间为了节省电量，避免频繁换电池，芯片都必须处于待机模式，这样的话我们就可以用这个RTC自带的闹钟功能。另外这个闹钟值是一个定值，只能响一次，所以你想实现周期性的闹钟，那在每次闹钟响之后，都需要再重新设置一下下一个闹钟时间。继续往右看就是中断部分了，在左边这里有三个信号可以触发中断，第一个是RTC_Second，秒中断，它的来源就是CNT的输入时钟，如果开启这个中断，那么程序就会每秒进一次RTC中断；第二个是RTC_Overflow，溢出中断，它的来源是CNT的右边，意思就是CNT的32位计数器计满溢出了会触发一次中断，所以这个中断一般不会触发；第三个RTC_Alarm，闹钟中断，刚才说过，当计数器和闹钟值相等时，触发中断，同时，闹钟信号可以把设备从待机模式唤醒。中断信号到右边这里就是中断标志位和中断输出控制，F结尾的是对应的中断标志位，IE结尾的是中断使能，最后三个信号通过一个或门汇聚到NVIC中断控制器。最上面这部分APB1总线和APB1接口就是我们程序读写寄存器的地方了，读写寄存器可以通过APB1总线来完成，另外也可以看出RTC是APB1总线上的设备。最后，最下面这一块，推出待机模式还有一个WKUP引脚，闹钟信号和WKUP引脚都可以唤醒设备。到这里这个RTC外设框图就已经全部了解清楚了。
接下来看一下下面的基本结构图，再总结一下以上内容，最左边是RTCCLK时钟来源，这一块需要在RCC里配置，3个时钟，选择一个，当作RTCCLK，之后RTCCLK先通过预分频器，对时钟进行分频，余数寄存器是一个自减寄存器，存储当前的计数值，重装寄存器是计数目标，决定分频值。分频之后得到1Hz的秒计数信号，通向32位计数器，1s自增一次，下面还有一个32位的闹钟值可以设定闹钟，右边有三个信号可以触发中断，分别是秒信号、计数器溢出信号和闹钟信号，三个信号先通过中断输出控制进行中断使能，使能的中断才能通向NVIC，然后向CPU申请中断。在程序中，我们配置这个数据选择器，可以选择时钟来源；配置重装寄存器，可以选择分频系数；配置32位计数器，可以进行日期时间的读写，需要闹钟的话，配置32位闹钟值即可；需要中断的话，先允许中断，再配置NVIC，最后写对应的中断函数即可，这就是RTC外设的主要内容。
最后，我们再看一些这个RTC的一些操作注意事项
1.执行以下操作将使能对BKP和RTC的访问：设置RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN，使能PWR和BKP时钟；设置PWR_CR的DBP，使能对BKP和RTC的访问。正常的外设开启了时钟就能使用了，但是BKP和RTC这两个外设开启稍微复杂些，首先要设置RCC_APB1ENR，这个实际上就是开启APB1外设的时钟，要同时开启PWR和BKP的时钟，对于RTC来说，并没有单独开启时钟的选项。然后我们还要设置PWR_CR的DBP位，来使能对BKP和RTC的访问
2. 若在读取RTC寄存器时，RTC的APB1接口曾经处于禁止状态，则软件首先必须等待RTC_CRL寄存器中的RSF位（寄存器同步标志）被硬件置1。这一步对应代码里的一个库函数，就是RTC等待同步，一般在刚上电的时候调用一下这个函数就行了。
3. 必须设置RTC_CRL寄存器中的CNF位，使RTC进入配置模式后，才能写入RTC_PRL、RTC_CNT、RTC_ALR寄存器。就是RTC会有一个进入配置模式的标志位，把这一位置1，才能设置时间，其实这个操作在库函数中，每个写寄存器的函数都会自动加上这个操作，所以就不用再单独调用代码进入配置模式了。
4. 对RTC任何寄存器的写操作，都必须在前一次写操作结束后进行。可以通过查询RTC_CR寄存器中的RTOFF状态位，判断RTC寄存器是否处于更新中。仅当RTOFF状态位是1时，才可以写入RTC寄存器
2和3的注意事项都是因为读写数据时使用的APB1总线是在PCLK1的时钟频率下运行的，但是RTC外设内部的工作时钟是RTCCLK，PCLK1的频率远大于RTCCLK，因此任何读写操作都需要等待一会。
下面我们进入到代码编写的部分。
首先介绍一下备份寄存器BKP的库函数，其中，BKP_DeInit函数用于恢复缺省配置在BKP的外设中是有一个用途的，就是手动清空BKP所有的数据寄存器，因为如果有备用电池的话，BKP的数据主电源掉电不清零、上电复位也不清零，它就没清零的时候，如果我们确实想要清零，就可以使用这个函数，这样所有BKP的数据都会变0；BKP_TamperPinLevelConfig和BKP_TamperPinCmd用于配置TAMPER侵入检测功能，前者可以配置TAMPER引脚的有效电平，就是高电平触发还是低电平触发，后者就是配置是否开启侵入检测功能，如果需要侵入检测的话，那就先配置TAMPER有效电平，再使能侵入检测功能就行了；BKP_ITConfig，中断配置，就是配置是否开启中断；BKP_RTCOutputConfig这是配置时钟输出功能，可以选择在RTC引脚上输出时钟信号，输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲，该配置需要通过 BKP 模块的寄存器来实现，因此函数被归在了BKP的库文件之中；BKP_SetRTCCalibrationValue，用于设置RTC校准值，其实就是写入RTC校准寄存器，校准值的设置也需要写入 BKP 模块的相关寄存器，因此也被归在了BKP的库文件之中。以上这些函数就是我们在上面说的BKP附加的小功能。之后的这几个函数才是经常使用的：BKP_WriteBackupRegister，写备份寄存器，其第一个参数指定要写在哪个DR里，第二个参数填你要写入的数据；BKP_ReadBackupRegister，读备份寄存器。参数指定要读哪个DR，返回值就是DR里存的值。 此外，我们还需要特别关注PWR库函数中的PWR_BackupAccessCmd函数，即备份寄存器访问使能，该函数中的内容就是设置PWR_CR寄存器里的DBP位，我们来调用这个函数满足使用RTC和BKP外设时的注意事项1。
下面对于RTC实时时钟编程，我们总结其初始化步骤如下：
1.开启PWR时钟和BKP时钟，使能BKP和RTC的访问
2.启动RTC的时钟，我们计划使用LES作为系统时钟，所以使用RCC模块里的函数，开启LSE的时钟
3.配置RTCCLK这个数据选择器，指定LSE为RTCCLK，这一步的函数也是在RCC模块里的
4.调用注意事项中提到的等待函数，分别为等待同步和等待上一次操作完成
5.配置预分频器，给PRL重装寄存器一个合适的分频值，以确保输出给计数器的频率是1Hz
6.配置CNT的值，给这个RTC一个初始时间
如果需要闹钟的话，可以配置闹钟值；需要中断的话可以配置中断部分
因为RTC比较简单，所以库函数并没有使用结构体来配置，RTC也没有RTC_Cmd这样的函数，开启时钟就能自动运行了，不需要最后再启动一下的。
在RCC库函数中，存在着一些和RTC时钟相关的函数。其中RCC_LSEConfig用于配置LSE外部低速时钟，启动LSE时钟就调用这个函数；RCC_LSICmd函数用于配置LSI内部低速时钟，如果出现了外部时钟不起振的情况，也可以使用这个内部时钟来进行实验；RCC_RTCCLKConfig，RTCCLK配置，这个函数用来选择RTCCLK的时钟源，实际上就是配置简化结构图中的数据选择器；RCC_RTCCLKCmd，启动RTCCLK，在调用上一个函数选择时钟之后，还需要调用一下这个Cmd函数，使能一下；另外还需要用到RCC_GetFlagStatus函数获取标志位，因为LSE时钟不是你让它启动它就能立刻启动的，调用启动时钟的函数之后，我们还需要等待一下标志位，等RCC的标志位LSERDY置1之后，这个时钟才算启动完成，工作稳定。有关RCC时钟部分的函数就这么多。
接下来我们继续看RTC库函数中的函数：RTC_ITConfig用于配置中断输出；RTC_EnterConfigMode，进入配置模式，就是置CRL的CNF为1，进入配置模式，其对应注意事项中的第三条；RTC_ExitConfigMode，退出配置模式，就是把CNF位清零；RTC_GetCounter，获取CNT计数器的值，显然，读取时钟就靠这个函数；RTC_SetCounter，写入CNT计数器的值，显然，设置时间，就靠这个函数；RTC_SetPrescaler，写入预分频器，这个值会写入到预分频器的PRL重装寄存器中，用来配置预分频器的分频系数；RTC_SetAlarm，写入闹钟值；RTC_GetDivider，读取预分频器中的DIV余数寄存器，余数寄存器是一个自减寄存器，获取余数寄存器的值，一般是为了得到更细致的时间，因为CNT计数间隔最短就是1s，如果需要更细致的时间，比如分秒、厘秒、毫秒，那就得靠这个DIV余数寄存器来实现；RTC_WaitForLastTask，等待上次操作完成，对应注意事项中的第四条，等待前一次写操作结束；RTC_WaitForSynchro，等待同步，对应注意事项中的第二条。
在RTC显示实时时钟代码中，我如何保证在系统复位后，保证时间信息仍然不被重置呢？我可以借助BKP中存储内容在单片机供电断开时仍然能靠电池保存的特性，在初始化代码中加入判断：如果BKP中任一一个数据寄存器中内容不等于约定好的数字，说明现在是单片机电源掉电、电池电源掉电之后重新启动，因此需要进行初始化，并且在BKP对应寄存器中写入该数据；如果其中的内容等于数字了，说明电池并未掉电，则跳过初始化。