STM32单片机：深入剖析STM32的时钟系统

时钟系统在单片机中的作用，就如同心脏脉搏对人体至关重要一样，其重要性不言而喻。STM32的时钟系统相较于简单的51单片机而言，显得异常复杂，无法仅凭一个时钟系统就解决所有问题。这对STM32初学者来说无疑是一个挑战。本文旨在深入剖析STM32的时钟系统，帮助读者透彻理解其背后的运行原理。

时钟的概念

单片机时钟是由晶振产生的，晶振在通电后会产生一个固定频率的振荡信号，这个信号就是单片机时钟的源头。单片机通过这个时钟信号来控制内部的各个部件，确保它们能够协同工作，完成各种复杂的任务。
时钟信号对单片机来说非常重要，没有时钟信号，单片机就无法正常工作。因为单片机需要按照一定的时序来执行指令、传输数据等操作，而这些操作都需要时钟信号来同步和协调。
时钟信号在单片机中就像人的心跳一样，推动着单片机内的各个部分按照既定的节奏执行相应的指令。无论是处理器内核的指令执行，还是外设部件的数据传输与转换，都离不开时钟信号的驱动。一旦时钟信号出现问题，单片机将无法正常执行指令，整个系统将陷入混乱状态。

时钟树与时钟源

上图是STM32F1xx系列时钟树。时钟树决定了单片机各个部分的工作频率和时序。简单来说，时钟树就像是一个大树，树干是系统时钟，树枝是各个外设的时钟，而树叶则是具体的工作频率。时钟树说明了STM32的时钟走向，从时钟源一步步分配到外设时钟。
从时钟频率来说，又分为高速时钟和低速时钟，高速时钟是提供给芯片主体的主时钟，低速时钟只提供给芯片的RTC（实时时钟）及独立看门狗使用。
从时钟源头来说，又分为内部时钟源和外部时钟源，内部时钟源是由芯片内部RC振荡器产生的，外部时钟信号是由外部的晶振输入的。单片机启动后，默认使用内部时钟源。
STM32F1xx系列单片机的时钟源有多个，主要包括：
HSI（高速内部时钟）：这是由单片机内部产生的时钟，频率固定，但精度相对较低。
HSE（高速外部时钟）：这是通过外部晶振产生的时钟，频率和精度都可以根据需要进行调整。
LSI（低速内部时钟）：这是由单片机内部产生的低速时钟，主要用于驱动一些低速外设或作为看门狗的时钟源。
LSE（低速外部时钟）：这是通过外部晶振产生的低速时钟，主要用于为RTC（实时时钟）提供时钟源。

高速外部时钟

我们以最常用的高速外部时钟（HSE）为例分析，假定外部晶振提供的频率为8MHZ。
（1）高速外部时钟外接两个引脚OSC_IN和OSC_OUT，这两个引脚接外部晶振电路，引入8MHZ的固定时钟信号；
（2）8MHZ的时钟进入PLLXTPRE分频器（对高速外部时钟（HSE）进行预分频的电路，主要功能是降低HSE的频率，以满足后续电路（如锁相环PLL）的输入要求），在这个分频器中，可以通过寄存器配置来选择输出时钟信号的频率。它的输出频率可以是对输入时钟的二分频或不分频，若配置为不分频，PLLXTPRE分频器输出的时钟还是8MHZ；
（3）8MHZ的时钟进入PLLSRC（用于选择PLL的输入时钟源），同时HSI（高速内部时钟）也进入PLLSRC，可以通过寄存器来配置来选择输出高速外部时钟还是高速内部时钟。若选择高速外部时钟，PLLSRC将输出高速外部时钟；
（4）8MHZ的时钟进入PLLMUL（通过配置PLLMUL的值，可以改变PLL的输出时钟频率），在这里可以配置PLLMUL的倍频因子，输出不同的时钟频率，经过PLL倍频的时钟称为PLLCLK。若倍频因子设置为9倍频，时钟将从8MHZ的频率倍频为72MHZ；
（5）PLLCLK时钟进入SW开关，同时HSI和HSE也进入SW开关，通过这个开关可以切换输出的时钟，可以选择输出PLLCLK时钟，也可以选择输出HSI或HSE时钟，经过SW开关之后的时钟就是STM32的系统时钟SYSCLK，若选择输出PLLCLK时钟，SYSCLK的时钟频率就是72MHZ；
（6）SYSCLK经过AHB预分频器，分频后再输入到其它外设；
（7）GPIO外设是挂载在APB2总线上，APB2的时钟是APB2预分频器的输出，APB2预分频器的输入来自AHB预分频器，若AHB预分频器设置为不分频，则GPIO的时钟为72MHZ。

一些与开发相关的时钟

在对高速外部时钟分析的过程中，我们得到了几个相关的时钟，下面对这些时钟做一个简单介绍。
SYSCLK：系统时钟，是STM32大部分部件的时钟来源，主要由AHB预分频器分配到各个部件。
HCLK：为连接在AHB总线上的外设提供时钟信号。AHB总线通常连接高速外设，如内存、NAND、LCD控制器等。
FCLK: 由AHB预分频器输出得到，为CPU内核提供时钟信号，FCLK的频率直接决定了CPU的主频，即CPU时钟周期是1/FCLK。
PCLK1：由AHB1预分频器输出得到，在STM32F103等型号中，PCLK1的最大频率为36MHz，因此常通过设置分频使PCLK1等于HCLK的一半，以满足这一要求。PCLK1主要用于为APB1总线上的外设提供时钟信号，如UART、SPI等低速外设，以支持它们的正常工作。
PCLK2：由AHB2预分频器输出得到，最高频率可达72MHz，主要用于为APB2总线上的高速外设提供时钟信号。
STM32为什么需要对输入的时钟信号进行倍频和分频？
STM32微控制器拥有众多外设，其中部分高速外设（如高级定时器、SDIO等）需要更高的时钟频率以支持其高速运行，倍频技术能够提供这些高速外设所需的时钟频率。部分低速外设（如UART、SPI等）仅需较低的时钟频率即可满足其运行需求。通过分频技术，可以降低时钟频率以适应这些低速外设。
持续为STM32提供高频时钟会增加其功耗。在不需要使用高速外设时，通过分频技术降低时钟频率，有助于减少功耗，延长设备的使用寿命。
直接提供高频时钟信号（如72MHz）给电路板，可能会增加制作难度。通过倍频技术，可以从较低的外部时钟频率（如8MHz）开始，逐步提升至所需的高频时钟，从而降低电路板设计难度。