STM32的时钟系统与时钟树的配置

STM32的时钟系统是其微控制器（MCU）的核心组成部分，负责为CPU、外设和存储器等模块提供精确的时序信号。其设计灵活且复杂，通过多级时钟树（Clock Tree）实现时钟源的选择、分频和分配。以下是详细介绍：

一、STM32时钟系统的核心概念

1. 时钟源（Clock Source）
   STM32提供多种时钟源，通常包括：
   • HSI（High-Speed Internal Oscillator）：内部高速RC振荡器，频率通常为8MHz（部分型号为16MHz），启动快但精度低（±1%~2%）。
   • HSE（High-Speed External Oscillator）：外部高速晶振，频率范围广（4~26MHz，部分型号支持更高），精度高（±0.1%~0.01%）。
   • LSI（Low-Speed Internal Oscillator）：内部低速RC振荡器，频率约32kHz，用于独立看门狗（IWDG）或RTC备用时钟。
   • LSE（Low-Speed External Oscillator）：外部低速晶振，频率通常为32.768kHz，专为RTC（实时时钟）设计，精度高。
   • PLL（Phase-Locked Loop）：锁相环，可将输入时钟倍频（如将HSE的8MHz倍频至72MHz），提供更高频率的主时钟。
2. 时钟树（Clock Tree）
   STM32的时钟信号通过多级分频和选择器分配到不同模块，形成树状结构。时钟树的主要功能包括：
   • 时钟源选择：通过寄存器配置选择HSI、HSE或PLL作为系统时钟。
   • 分频控制：对时钟信号进行预分频（Prescaler），以适应不同外设的频率需求。
   • 时钟分配：将分频后的时钟分配到CPU、APB总线、外设等模块。

二、STM32时钟树的关键路径

以STM32F1系列为例，时钟树的主要路径如下：

1. 系统时钟（SYSCLK）
   • 来源：HSI、HSE或PLL。
   • 作用：为CPU核心、AHB总线（高速总线）和内存提供时钟。
   • 配置：通过RCC_CFGR寄存器的SW位选择时钟源。
2. AHB总线时钟（HCLK）
   • 来源：SYSCLK经过AHB预分频器（AHB Prescaler）分频。
   • 作用：驱动AHB总线上的外设（如DMA、GPIO）和APB预分频器。
   • 分频系数：通过RCC_CFGR寄存器的HPRE位配置（1~512分频）。
3. APB总线时钟（PCLK1/PCLK2）
   • 来源：HCLK经过APB预分频器分频。
   • 作用：
     • PCLK1：驱动低速外设（如USART2、TIM2~TIM7）。
     • PCLK2：驱动高速外设（如USART1、TIM1、ADC）。
   • 分频系数：通过RCC_CFGR寄存器的PPRE1和PPRE2位配置（1~16分频）。
4. 外设时钟
   • 每个外设通过独立的时钟使能位（如RCC_APB2ENR中的USART1EN）控制是否启用时钟。
   • 外设实际工作频率可能经过二次分频（如USART的波特率分频）。
5. PLL时钟
   • 输入源：HSI/2或HSE（可配置是否经过分频）。
   • 倍频系数：通过RCC_CFGR寄存器的PLLMUL位配置（2~16倍频）。
   • 输出：PLLCLK可作为SYSCLK或USB、RTC等专用时钟源。

三、先把“时钟”想象成“城市供水系统”

• 水源（振荡器） → 水库/水井

• 水管网（时钟树） → 主管→支管→入户

• 水表（预分频器） → 控制每户水压

• 用水设备（CPU、外设） → 厨房、浴室、花园……

STM32 的时钟树就是一套多级“供水系统”：
先选水源 → 经过开关/阀门（Mux） → 加压站（PLL） → 各级减压阀（Prescaler） → 最终送到每家每户。

---

四、图片里出现的“水源”逐个讲解

名字	频率	类型	作用	比喻
HSI RC	8 MHz	内部 RC 振荡器	上电默认水源，省晶振	自家院子里的手压井
HSE	4-16 MHz（常用 8 MHz）	外部晶振/时钟	精度高，可倍频到 72 MHz	城市自来水厂
LSI RC	40 kHz	低速内部 RC	独立看门狗 IWDG、RTC 低功耗计时	备用小水桶
LSE	32.768 kHz	32.768 kHz 外部晶振	RTC 精准日历时钟	标准石英钟
PLLCLK	≤72 MHz	PLL 倍频输出	把 HSI/HSE 放大，给 CPU 和高速外设	加压泵站

---

五、时钟树的流向（对照图片箭头）

1. SYSCLK（总水源）
   由 HSI / HSE / PLLCLK 三选一决定，最大 72 MHz。
   图中“SYSCLK (MHz)”就是最终给 CPU 喝的“主水管”。

2. HCLK（主管道）
   SYSCLK → AHB Prescaler（1、2、4…512 分频）→ HCLK
   给 AHB 总线、CPU 核心、内存、DMA 使用。
   图中“HCLK (MHz)”就是这条主管的水压。

3. PCLK1 / PCLK2（两条支管）

   • HCLK → APB1 Prescaler → PCLK1（≤36 MHz）
     挂在 APB1 的外设：USART2/3、I²C1/2、SPI2、TIM2~4…

   • HCLK → APB2 Prescaler → PCLK2（≤72 MHz）
     挂在 APB2 的外设：GPIO、USART1、SPI1、TIM1、ADC1/2…
     图中 APB1、APB2 后面分别标注了“8 MHz、72 MHz max”。

4. 专用小水管

   • ADC 时钟：PCLK2 → ADC Prescaler（2/4/6/8）→ 4~18 MHz

   • USB 时钟：PLL 直接 48 MHz 分支（图上 USB (MHz) 48）

   • RTC 时钟：LSE(32.768 kHz) / LSI(40 kHz) / HSE/128 三选一，图上“RTC Clock Mux”

   • 独立看门狗 IWDG：固定 LSI 40 kHz

   • SysTick：可以走 HCLK 或 HCLK/8，给操作系统节拍用。

---

六、把数字换成“水压值”（一个常见配置举例）

节点	实际计算	结果
HSE	8 MHz 晶振	8 MHz
PLL	8 MHz × 9	72 MHz
SYSCLK	选 PLL	72 MHz
HCLK	AHB 不分频	72 MHz
PCLK1	72 / 2	36 MHz（APB1 最大）
PCLK2	72 / 1	72 MHz（APB2 最大）
ADC	72 / 6	12 MHz
USB	PLL / 1.5	48 MHz（固定）
RTC	选 LSE	32.768 kHz