stm32机器周期和系统时钟的区别 我在高职教STM32时钟系统与延时控制

大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学。对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正是如此，才有了借助头条平台寻求认同感和成就感的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思设计的教学课件分享出来，如果您正是一名单片机爱好者或是一名同行，欢迎点赞 关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！

众所周知，衡量一款处理器的性能，最重要的一个指标就是主频，对于stm32来说也不例外。主频的背后其实是一套复杂的时钟系统，而这套系统关乎所有外设的工作。因此，在我们继续深入学习之前，有必要了解STM32时钟系统的脉络，进而才能理解所有跟时间有关的机制和配置。其实，一开始我们用到的delay延时功能就是通过配置时钟系统实现的，现在是时候对它一探究竟了。

【学习目标】

1. 认识STM32的系统时钟树，理解时钟的产生过程；
2. 了解系统时钟配置函数的实现脉络；
3. 知道SysTick定时器的地位和作用；
4. 了解SysTick寄存器的功能；
5. 理解延时函数的实现原理

与STM32时钟有关的信息量不小，为了不让篇幅太长，本章打算分两个部分来讲解，本文是第一部分。

时钟系统是CPU的脉搏，就像人的心跳一样，其重要性就不言而喻了。STM32的时钟系统比较复杂，不像51单片机一个系统时钟就可以解决一切。于是有人要问，采用一个系统时钟不是很简单吗？为什么STM32要有多个时钟源呢？首先，STM32的外设非常多，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。其次，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。

下面，让我们来看看STM32的时钟系统图吧，如图1所示。这张图是从《STM32中文参考手册》中摘过来的，初学者一看可能会无所适从，不知该从哪儿入手。别慌，我们在图上标注了一些序号（Ⅰ~Ⅴ、A~E）和一条主线（①~⑦），大家结合下面的分析，先好好领悟这些带有标注的地方，剩下的地方便可以触类旁通啦。

图1 STM32时钟系统框图

在STM32中，有五个时钟源：HSI、HSE、LSI、LSE、PLL，分别对应图1中的Ⅰ~Ⅴ。从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，HIS、HSE和PLL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，其他的是内部时钟源。下面我们依次来看每个时钟源的特点：

I. HSI是高速内部时钟，采用RC振荡器，频率为8MHz。

II. HSE是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为 4MHz~16MHz，我们的开发板接的是12M的晶振。

III. LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz。独立看门狗的时钟源只能是LSI，同时LSI还可以作为RTC的时钟源。

IV. LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体，这个主要是RTC的时钟源，我们的开发板上没接这个晶振。

V. PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选HSI/2、HSE或HSE/2。倍频可选2~16倍，但输出频率最大不超过72MHz。

上面我们简要概括了STM32的时钟源，那么这5个时钟源是怎么给各个外设以及系统提供时钟的呢？这里我们按照图1中A ~E的顺序进行讲解。

A. MCO是STM32的一个时钟输出IO（PA8），它可以选择一个时钟信号输出，可以是PLL输出的2分频、HSI、HSE或系统时钟。这个时钟可以用来给外部其他系统提供时钟源。

B. 这里是RTC时钟源，从图上可以看出，RTC的时钟源可以选择LSI或LSE，以及HSE的128分频。

C. USB的时钟，来自PLL时钟源。STM32中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL输出端获取，可以选择为1.5分频或者1分频，也就是，当需要使用USB模块时，PLL必须使能，并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。

D. STM32的系统时钟SYSCLK，它是供STM32中绝大部分部件工作的时钟源。系统时钟可选择为PLL输出、HSI或HSE。系统时钟最大频率为 72MHz，当然你也可以超频，不过一般情况为了系统稳定性是没有必要冒风险去超频的。

E. 指其他所有外设了。从时钟图上可以看出，其他所有外设的时钟最终来源都是 SYSCLK。SYSCLK通过AHB分频器分频后送给各模块使用。这些模块包括：

1) AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。

2) 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟，也就是SysTick了，它也是下一节要重点讲解的内容，延时的产生就跟它有关。

3) 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。

4) 送给APB1分频器。APB1分频器有两路输出：一路供APB1外设使用 （PCLK1，最大频率36MHz），另一路送给定时器2~7使用。

5) 送给APB2分频器。APB2分频器也有两路输出：一路供APB2外设使用 （PCLK2，最大频率72MHz），另一路送给定时器1和8使用。

关于APB1和APB2总线的区别，主要在于挂载的外设不同，这一点我们在之前的章节中已经详细阐述过了，大家可以再翻看一遍，加深理解，这里就不再赘述了。

在以上的时钟输出中，有很多是带使能控制的，例如AHB总线时钟、内核时钟、各种APB1外设、APB2外设等等。当需要使用某模块时，记得一定要先使能对应的时钟，我们在初始化GPIO时使用了RCC_APB2PeriphClockCmd()库函数，起的就是这个作用。

现在来看图1中序号①~⑦的这条路径，我们称之为时钟主线。理解了这条主线，也就明白了STM32的系统时钟和各总线时钟是如何一步步确定的。而图中的其他路径，也就迎刃而解了。

我们把区域①单独拎出来分析，如图2所示。来自于开发板上12MHz晶振的HSE信号，会到达一个梯形的模块，这其实是一个选择器，能够从多路输入信号中选择一路通过。可以看到，这个选择器的输入信号有两路，一路是HSE，另一路则是HSE/2。究竟选哪一路由PLLXTPRE信号决定，而该信号是时钟配置寄存器CFGR的第17位，固件库对其默认的配置是0。因此，经过区域①，得到了12MHz输出信号，该信号再进入区域②。

图2 时钟主线之HSE和PLL

时钟线、对应寄存器及其功能在《STM32中文参考手册》6.3.2小节中有详细描述，上图只是把其中一部分整理后放在了一起，就是希望大家学会看图的方法，理解其中的来龙去脉。后面②~⑦的分析方法都是类似的，这里我们汇总如下：

● 区域②是PLL时钟源选择，默认选择的是HSE（12MHz）。

● 区域③是一个锁相环信号倍频器，它可以把来自PPLSRC的信号进行倍频处理，可选2倍~16倍。我们在配置工程模板的时候将其设置为了 6 倍频，这样就得到了12MHz*6 = 72MHz的PLLCLK，72MHz也是ST官方推荐的稳定运行时钟。这里也可设置更大的倍频系数得到更高的频率，但不建议超频。

● 区域④是系统时钟来源选择，可选HIS（内部高速时钟）、PLLCLK（锁相环时钟）、HSE（外部高速时钟），默认选择的是PLLCLK，这样得到的系统时钟SYSCLK与PLLCLK一致，也为72MHz。

● 区域⑤是AHB预分频器，系统时钟 SYSCLK经过这里分频后，得到AHB总线时钟HCLK，分频因子可以是1/2/4/8/16/64/128/256/512，默认配置为1，即HCLK = SYSCLK = 72MHz。STM32片上大部分外设的时钟都是经过HCLK 分频得到的。

● 区域⑥是APB2预分频器，HCLK经过这里分频后，得到APB2总线时钟PCLK2，分频因子可以是1/2/4/8/16，默认配置为1，即PCLK2 = HCLK = 72MHz。PCLK2属于高速的总线时钟，片上高速的外设就挂载在这条总线上，比如GPIO、USART1、TIM1/8等。

● 区域⑦是APB1预分频器，HCLK经过这里分频后，得到APB1总线时钟PCLK1，分频因子可以是1、2、4、8、16，默认配置为2，即PCLK1 = HCLK/2 = 36MHz。PCLK1属于低速的总线时钟，片上低速的外设就挂载在这条总线上，比如USART2/3/4/5、SPI2/3、I2C1/2等。

上面我们分析了时钟主线，这条主线确定了72MHz的系统时钟SYSCLK、72MHz的APB2总线时钟、36MHz的APB1总线时钟，其中所有的设置都通过时钟配置寄存器完成的。在实际开发中，我们并不需要亲自配置寄存器，固件库已经写好了配置函数，并且会在上电初始化中完成配置。接下来，我们一起追溯一下固件库里是如何实现系统时间配置的。

如图3所示，STM32上电或复位后，先执行startup_stm32f10x_hd.s 这个启动文件，该文件调用了SystemInit()函数（图中①）。SystemInit()这个函数定义在system_stm32f10x.c 中（图中②），可以看到了它又调用了SetSysClock()函数。继续进入SetSysClock()函数（图中③），是一堆条件编译结构，取决于定义了哪个宏。从图中④我们可以看到， SYSCLK_FREQ_72MHz这个宏被保留，所以SetSysClockTo72()这个函数（图中⑤）将被执行，而该函数内部就是按照上述时钟主线去配置寄存器的过程，源码比较复杂，感兴趣的读者可以去阅读和研究。

图3 系统时钟函数溯源

（第一部分完，第二部分我们将对SysTick寄存器进行解读，并通过代码来了解精确的延时是如何通过配置SYSTick寄存器来实现的。）