强仔教你玩STM32F401 Nucleo之系统时钟配置

强仔00001

在STM32中，有五个时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。 其实是四个时钟源，如下图所示（红色方框），PLL是由锁相环电路倍频得到PLL时钟。如下图：
        ①、HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz。
        ②、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~26MHz。
        ③、LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz。
        ④、LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。
        ⑤、PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI、HSE。理论倍频，一般不要输出频率最大不要超过84MHz，本人测试可以将内核时钟频率超到144M，建议大家不要超得太大，否则锁相环倍频的过程会失败的，而且超过84M可能出现运行不稳定的情况，建议大家还是最大输出到84M，如果大家的项目对单片机的处理速度要求较高的，可以超频。但不要超得太高。
        STM32F401的时钟系统结构图
        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或者HSE。系统时钟最大频率为84MHz，它通过AHB分频器分频后送给各模块使用，AHB分频器可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。其中AHB分频器输出的时钟送给5大模块使用：
        ①、送给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。
        ③、直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。
        ④、送给APB1分频器。APB1分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB1外设使用(PCLK1，最大频率42MHz)，另一路送给定时器(Timer)2、3、4、5倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2、3、4、5使用。
        ⑤、送给APB2分频器。APB2分频器可选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率84MHz)，另一路送给定时器(Timer)1、9、10、11倍频器使用。该倍频器可选择1或者2倍频，时钟输出供定时器1,9,10,11使用。另外，APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。
        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。
        需要注意的是定时器的倍频器，当APB的分频为1时，它的倍频值为1，否则它的倍频值就为2。
        连接在AHB1上的设备有所有普通IO口(PA~PE)。这个跟stm32f10xx系列不同。
        连接在APB1(低速外设)上的设备有：电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3、SPI2、窗口看门狗、Timer2、Timer3、Timer4。注意USB模块虽然需要一个单独的48MHz时钟信号，但它应该不是供USB模块工作的时钟，而只是提供给串行接口引擎(SIE)使用的时钟。USB模块工作的时钟应该是由APB1提供的。
        连接在APB2(高速外设)上的设备有：UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、第二功能IO口。
        另外STM32F401提供了两个32位的定时器，分别是timer2和timer3，这个在定时器设为编码器模式时很有用，因为传统的16定时器计数的范围是2的16次方，也就是1~65535，而32位的定时器计数范围显然比16位定时器多得多，这里我就不作过多的介绍了，我会在以后的章节中详细说明。
        另外，STM32还可以选择一个时钟信号输出到MCO1脚(PA8)和MCO2脚(PC9)上，可以选择为PLL输出的1~5分频、HSI、HSE、或者系统时钟。
        stm32f401 Nucleo板是默认没有焊接上外部晶振的，所以如果大家如果要使用外部晶振，就要自行焊接接上晶振了，在焊接晶振是要注意几点:
        板子外部晶振的连接处默认是打断的，如下图画着红色方框的地方：
        所以大家如果要用上外部高速晶体时，就要焊接上两个电容和两个0欧姆电阻。具体的位置如下图画着红色方框的地方，c33和c34的地方是焊接电容的：
        这里需要提醒一下电容的选择，电容最好选择20pf到33pf，最好选择大一些的吧，以免在初始化时钟时外部晶振起不了振。这里我选择了电容是30pf，而那两个0欧姆的地方，我直接用焊锡连上了，大家懒的话就可以直接焊锡，因为这些电容，电阻的封装是0603的，这个比较难焊接，由于没有0603封装的电容，我这里就用了0805的来焊接。在晶振的地方，我焊接了圆孔的圆排母，这是为了以后方便更换晶振。下图就是我焊接好外部晶振的图：
        下面我就开始来介绍用st公司的库函数来配置时钟吧，我是用外部晶振通过PLL模块把时钟倍频到自己所需的频率。然后通过PA8输出外部晶振的频率，PC9输出系统时钟频率的二分频来验证时钟设置是否正确。
        时钟配置的步骤：
        void Clock_Config(void)
        {
        uint32_t           PLL_M;
        uint32_t           PLL_N;
        uint32_t           PLL_P;
        uint32_t           PLL_Q;
        /*配置前将所有RCC重置为初始值*/
        RCC_DeInit();
        /*这里选择 外部晶振（HSE）作为 时钟源，因此首先打开外部晶振*/
        RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
        /*等待外部晶振进入稳定状态*/
        while( RCC_WaitForHSEStartUp() != SUCCESS );
        /*
        **我们要选择PLL时钟作为系统时钟，因此这里先要对PLL时钟进行配置
        *
        *选择外部晶振作为PLL的时钟源*
        * 到这一步为止，已有 HSE_VALUE = 12 MHz.
        PLL_VCO input clock = (HSE_VALUE or HSI_VALUE / PLL_M)，
        根据文档，这个值被建议在 1~2MHz，因此我们令 PLL_M = 6，
        即 PLL_VCO input clock = 1MHz */
        PLL_M         =    6;
        /* 到这一步为止，已有 PLL_VCO input clock = 2 MHz.
        PLL_VCO output clock = (PLL_VCO input clock) * PLL_N,
        这个值要用来计算系统时钟，我们 令 PLL_N = 336,
        即 PLL_VCO output clock = 336 MHz.*/
        PLL_N        =    168;
        /* 到这一步为止，已有 PLL_VCO output clock = 336 MHz.
        System Clock = (PLL_VCO output clock)/PLL_P ,
        因为我们要 SystemClock = 84 Mhz，因此令 PLL_P = 4.
        */
        PLL_P         =    4;
        /*这个系数用来配置SD卡读写，USB等功能，暂时不用，根据文档，暂时先设为7*/
        PLL_Q         =    7;
        /* 配置PLL并将其使能，获得 84Mhz 的 System Clock 时钟*/
        RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE, PLL_M, PLL_N, PLL_P, PLL_Q);
        RCC_PLLCmd(ENABLE);
        /*到了这一步，我们已经配置好了PLL时钟。下面我们配置Syetem Clock*
        *选择PLL时钟作为系统时钟源*/
        RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
        /*到了这一步，我们已经配置好了系统时钟，频率为 84MHz. 下面我们可以对 AHB，APB，外设等的 时钟进行配置*
        *时钟的结构请参考用户手册*
        *首先配置 AHB时钟（HCLK）. 为了获得较高的频率，我们对 SYSCLK 1分频，得到HCLK*/
        RCC_HCLKConfig(RCC_HCLK_Div1);
        /*APBx时钟（PCLK）由AHB时钟（HCLK）分频得到，下面我们配置 PCLK*
        *APB1时钟配置. 1分频，即 PCLK1 = 84 MHz*/
        RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div1);
        /*APB2时钟配置. 1分频，即 PCLK2 = 84 MHz*/
        RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);
        /*****函数结束******
        *以上函数可以大体上说明这些库函数的作用*/
        }在这里有点需要提醒大家的是，如果你接上晶振时，需要修改一下头文件stm32f4xx.h里的HSE_VALUE的值，我这里的晶振接的是12M的，所以这个数值我改成了12000000，以此来告诉编译器我选的晶振是12M的。
        如果大家遇到不能修改的情况，是因为文件是设置为只读，因为官方都把文件设置位只读的，就是怕我们不小心删掉了文件中的内容而导致整个工程编译失败。可以观察到可修改的文件和不可修改（只读文件）在KEIL 5的区别如下图：
        红色方框里的文件是只读文件的，而蓝色方框里的文件是可修改的文件，区别就是只读的文件左侧多了个像钥匙的图标。
        这是我们需要把文件修改为可读可写的。我这里就以修改stm32f4xx_gpio.c的文件给大家演示下，具体步骤如下：
        双击你需要改的文件，然后再右击，最后点击Open Containing Folder，Open Containing Folder这个命令是查找这个文件所在的路径。
       
        找到文件后，然后再右击，点击属性，把属性->只读这个方框里的勾打掉。
       
        然后回到编译器，这时就可以发现原来文件左侧的钥匙的小图标已经不见了。
        当我们做好以上步骤时，就可以配置PA8和PC9输出时钟了。
        这里我们用到里库函数里的RCC_MCO1Config(uint32_t RCC_MCO1Source, uint32_t RCC_MCO1Div);和RCC_MCO2Config(uint32_t RCC_MCO2Source, uint32_t RCC_MCO2Div);
        这个函数在stm32f4xx_rcc.c文件里，大家要详细了解可以自行去看看。
        下面就贴上我已经注释的代码：
        void System_Clk_Output_Init()
        {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC,ENABLE);//使能GPIOC的时钟
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //选择管脚号
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //设置管脚的速度
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //设置管脚位复用功能
        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//设置管脚位推完输出
        GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //初始化管脚
        GPIO_PinAFConfig(GPIOC,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_MCO);//打开GPIOC_Pin_9的MCO功能
        RCC_MCO2Config(RCC_MCO2Source_SYSCLK,RCC_MCO2Div_2);//设置GPIOC_Pin_9输出系统时钟频率的二分频
        }
        void HSE_Clk_Output_Init()
        {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA的时钟
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //选择管脚号
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;// 设置管脚的速度为100M
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //设置管脚位复用功能
        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//设置管脚位推完输出
        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化管脚
        GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource8,GPIO_AF_MCO);//打开GPIOA_Pin_9的MCO功能
        RCC_MCO1Config(RCC_MCO1Source_HSE,RCC_MCO2Div_1);//设置GPIOA_Pin_8输出外部高速晶振HSE的频率
        }
        以上这两个函数是配置PA8和PC9管脚为MCO模块。
        在主函数中直接调用函数就可以了。
        int main()
        {
        //System_HSE_Init();
        Clock_Config();
        SystemCoreClockUpdate();
        System_Clk_Output_Init();
        HSE_Clk_Output_Init();
        while(1)
        {
        }
        }
        以下就是我仿真时通过SystemCoreClockUpdate();（刷新系统时钟的函数），可以看到时钟已经设置为84M了
        以下就是我用PA8输出HSE的频率和PC9输出系统时钟频率的二分频，用示波器观察频率如下图：
        stm32f401 Necleo的管脚分布图
        这个图是系统时钟频率超频到120M，然后用PC9输出系统时钟频率的二分频，用示波器观察：