【STM32】知识点介绍四：时钟体系

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一、简介

  时钟是给单片机提供一个时钟信号（一个非常稳定的频率信号），使单片机各内部组件同步工作，并且在和外部设备通信时是也能达到同步，动态调整运行频率，就可以控制性能与功耗。

  STM32 的时钟系统由外部晶振、PLL（锁相环）和内部 RC 振荡器组成。时钟系统主要提供了处理器时钟，以及可选的外设时钟和RTC模块时钟。

 其作用包括：

• 为处理器提供准确的时钟信号，保证处理器、总线和外设的正确工作
• 通过 PLL 的倍频功能，产生多种频率的时钟信号，满足不同外设的时钟需求
• 通过时钟系统提供的时钟分频器、预分频器等功能，进一步调整时钟频率，以适应不同的应用场景

1.时钟源

（1）可以使用三种不同的时钟源来驱动系统时钟 (SYSCLK)，CPU 运行的频率为 168MHz：

1. HSI 振荡器时钟（16MHz），也就是高速内部时钟，一般来说很少用，因为精度没有外部高速时钟那么高
2. HSE 振荡器时钟，也就是高速外部时钟，通常使用 8MHz
3. 主 PLL (PLL) 时钟

（2）器件具有以下两个次级时钟源：

1. 32 kHz 低速内部 RC (LSI RC)，该 RC 用于驱动独立看门狗，也可选择提供给 RTC 用于停机/待机模式下的自动唤醒
2. 32.768 kHz 低速外部晶振（LSE 晶振），用于驱动 RTC 时钟 (RTCCLK)对于每个时钟源来说，在未使用时都可单独打开或者关闭，以降低功耗

2.时钟树

  时钟树就是关注时钟源和时钟的流向，嵌入式系统中的模块和外设工作都以时钟为基准。有了时钟树，就有了时钟域。嵌入式中除了内核，还有各个单元，每个单元工作在不同的时钟频率下，给每个单元提供不同的时钟。

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二、PLL（锁相环）

1.概述

  PLL(Phase Locked Loop)： 为锁相回路或锁相环，用来统一整合时钟信号，使高频器件正常工作，如内存的存取资料等。PLL基于振荡器中的反馈技术。

  一般的晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，而在需要高频应用时，由相应的器件VCO，实现转成高频，但并不稳定，故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时钟信号

2.基本组成

  锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

  锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成。

  锁相环的工作原理是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号通过鉴相器转换成电压信号输出，经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制，再通过反馈通路把振荡器输出信号的频率、相位反馈到鉴相器。

  锁相环在工作过程中，当输出信号的频率成比例地反映输入信号的频率时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，这样输出电压与输入电压的相位就被锁住了。

3.类比说明

  我们刚开始学车的时候，在道路上开车，眼睛就好像一个鉴相器，负责发现车行驶的方向（反馈）和前方的路（输入）是否有差别，把差别输入大脑进行判断，然后指挥双手旋转方向盘，旋转方向盘的动作转换成车的行驶方向，我们通过这么一个闭环过程不断地调节方向盘，保证车行驶在正道上。如下图所示。

4.PLL配置参数

  不同的芯片，倍频（频率翻倍）公式是不一样的，需要查询芯片手册！

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三、时钟源配置

  在特殊的应用场景，为了达到最高的能效比，没有必要使用到PLL，可将HSE、HSI作为系统时钟源。例如，在智能手表锁屏的情况下，如果使用PLL配置过后输出的频率会造成过多的功耗，降低自身的续航能力；同时要维持计步与测量心率功能。因此，PLL在锁屏下的应用场景并不合适，在保证功能实现的前提下，尽可能降低功耗，可以切换频率更低的时钟源提供给系统时钟

（1）选择PLL作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;或RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);    

（2）选择HSI作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSI;或RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI); 	

（3）选择HSE作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSE;或RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE); 	

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四、寄存器边界地址

  详见《STM32F4xx中文参考手册》的P52 ~ P54页，部分展示如下：

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