STM32F103时钟解析及HAL库代码分析

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前言

上次写系统时钟解析的时候说出一篇103的时钟解析，我就整理HAL库开发的正点的资料，给小白梳理，我也是小白，不做权威使用。

时钟树详解

在 STM32 中，有五个时钟源，为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，在这 5 个中 HIS，HSE 以及 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。下面我们看看 STM32 的5 个时钟源，我们讲解顺序是按图中红圈标示的顺序：

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~16MHz。
③、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。
④、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。
⑤、PLL 为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为 HSI/2、HSE 或者 HSE/2。倍频可选择为 2~16 倍，但是其输出频率最大不得超过 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？这里我们将一一讲解。我们还是从图的下方讲解起吧，因为下方比较简单。图中我们用 A~E 标示我们要讲解的地方。

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，可以选择为 PLL 输出的 2 分频、HSI、HSE、或者系统时钟。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，LSE，以及HSE 的 128 分频。
C. 从图中可以看出 C 处 USB 的时钟是来自 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.处就是 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 或者 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. 这里的 E 处是指其他所有外设了。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。
③、直接送给 Cortex 的空闲运行时钟 FCLK。
④、送给 APB1 分频器。APB1 分频器输出一路供 APB1 外设使用(PCLK1，最大频率 36MHz)，另一路送给定时器(Timer)2、3、4 倍频器使用。
⑤、送给 APB2 分频器。APB2 分频器分频输出一路供 APB2 外设使用(PCLK2，最大频率 72MHz)，另一路送给定时器(Timer)1 倍频器使用。

其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的区别，APB1 上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3 等等，APB2 上面连接的是高速外设包 括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、所有普通 IO 口(PA~PE)、第二功能 IO 口等。居宁老师的《稀里糊涂玩 STM32》资料里面教大家的记忆方法是 2>1， APB2 下面所挂的外设的时钟要比 APB1 的高。

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。

系统时钟配置

在系统启动之后，程序会先执行 HAL 库定义的 SystemInit 函数，进行系统一些初始化配置。 SystemInit 程序中主要做了以下三个方面的工作：
1） 复位 RCC 时钟配置为默认复位值（默认开始了 HIS）
2） 外部存储器配置
3） 中断向量表地址配置

HAL 库的 SystemInit 函数并没有像标准库的 SystemInit 函数一样进行时钟的初始化配置。HAL 库的 SystemInit 函数除了打开 HSI 之外，没有任何时钟相关配置，所以使用 HAL 库我们必须编 写自己的时钟配置函数。首先我们打开工程模板看看我们在工程 SYSTEM 分组下面定义的 sys.c中包含，也可以使用Cubemx自动生成配置代码，具体可以参考STM32Cubemx的总结手册。

//时钟系统配置函数 
//PLL:选择的倍频数，RCC_PLL_MUL2~RCC_PLL_MUL16 
//返回值:0,成功;1,失败 
void Stm32_Clock_Init(u32 PLL) 
{ 
HAL_StatusTypeDef ret = HAL_OK; 
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStructure; 
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStructure; 
RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; //时钟源为 HSE 
RCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON; //打开 HSE 
RCC_OscInitStructure.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1; //HSE 预分频 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;
//打开 PLL 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE; 
//PLL 时钟源选择 HSE 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLMUL=PLL; 
//主 PLL 倍频因子 
ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化 
if(ret!=HAL_OK) while(1); 
//选中 PLL 作为系统时钟源并且配置 HCLK,PCLK1 和 PCLK2 
RCC_ClkInitStructure.ClockType=(RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK| 
RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1| 
RCC_CLOCKTYPE_PCLK2); 
//设置系统时钟时钟源为 PLL 
RCC_ClkInitStructure.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; 
RCC_ClkInitStructure.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1; 
//AHB 分频系数为 1 
RCC_ClkInitStructure.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2; 
//APB1 分频系数为 2 
RCC_ClkInitStructure.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1; 
//APB2 分频系数为 1 
ret=HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStructure,FLASH_LATENCY_2); 
//同时设置 FLASH 延时周期为 2WS，也就是 3 个 CPU 周期。 
if(ret!=HAL_OK) while(1); 
}

在sys.c文件中，有一个Stm32_Clock_Init()函数，这个函数里面是时钟的配置。除了配置 PLL 相关参数确定 SYSCLK 值之外，还配置了 AHB,APB1 和 APB2 的分频系数，也就是确定了HCLK，PCLK1 和 PCLK2 的时钟值。

typedef struct 
{ 
uint32_t OscillatorType; //需要选择配置的振荡器类型 
uint32_t HSEState; //HSE 状态 
uint32_t HSEPredivValue; // Prediv1 值 
uint32_t LSEState; //LSE 状态 
uint32_t HSIState; //HIS 状态
uint32_t HSICalibrationValue; //HIS 校准值 
uint32_t LSIState; 
//LSI 状态 
RCC_PLLInitTypeDef PLL; //PLL 配置 
}RCC_OscInitTypeDef; 

typedef struct 
{ 
uint32_t PLLState; //PLL 状态 
uint32_t PLLSource; //PLL 时钟源 
uint32_t PLLMUL; //PLL VCO 输入时钟的乘法因子 
}RCC_PLLInitTypeDef;

在这个函数中初始化一个结构体，关于RCC_OscInitTypeDef外部晶振的结构体，里面包含选择配置振荡器的类型。在这个结构体中有关于PLL的配置的成员变量，RCC_PLLInitTypeDef 结构体，里面又包含了PLL状态、 PLL时钟源、PLL输入时钟的乘法因子，这三个成员变量主要是设置PLL的分频倍频参数。

RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; //时钟源为 HSE 
RCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON; //打开 HSE 
RCC_OscInitStructure.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1; //HSE 预分频 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;
//打开 PLL 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE; 
//PLL 时钟源选择 HSE 
RCC_OscInitStructure.PLL.PLLMUL=PLL; 
//主 PLL 倍频因子 
ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化 

在时钟配置函数中开启了 HSE 时钟源，同时选择 PLL 时钟源为 HSE，然后把Stm32_Clock_Init 的唯一的入口参数直接设置作为 PLL 的倍频因子。设置好 PLL 时钟源参数之后，也就是确定了 PLL 的时钟频率，接下来我们就需要设置系统时钟，以及 AHB，APB1 和 APB2 相关参数。

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct, 
uint32_t FLatency); 

该函数有两个入口参数，第一个入口参数 RCC_ClkInitStruct 是结构体RCC_ClkInitTypeDef 指针类型，用来设置 SYSCLK 时钟源以及 AHB,APB1 和 APB2 的分频系数。第二个入口参数 FLatency 用来设置 FLASH 延迟。

//选中 PLL 作为系统时钟源并且配置 HCLK,PCLK1 和 PCLK2 
RCC_ClkInitStructure.ClockType=(RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK| 
RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1| 
RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);
//设置系统时钟时钟源为 PLL 
RCC_ClkInitStructure.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; 
RCC_ClkInitStructure.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1; //AHB 分频系数为 1 
RCC_ClkInitStructure.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2; //APB1 分频系数为 2 
RCC_ClkInitStructure.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1; //APB2 分频系数为 1 
ret=HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStructure,FLASH_LATENCY_2); 
//同时设置 FLASH 延时周期为 2WS，也就是 3 个 CPU 周期。 

第一个参数 ClockType 配置说明我们要配置的是 SYSCLK，HCLK,PCLK1 和 PCLK2 四个时钟。
第二个参数 SYSCLKSource 配置选择系统时钟源为 PLL。
第三个参数 AHBCLKDivider 配置 AHB 分频系数为 1。
第四个参数 APB1CLKDivider 配置 APB1 分频系数为 2。
第五个参数 APB2CLKDivider 配置 APB2 分频系数为 1。
根据我们在主函数中调用 Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9)时候设置的入口参数值，我 们可以计算出，PLL 时钟为 PLLCLK=HSE9 =8MHz9=72MHz，同时我们选择系统时钟源为 PLL ， 所 以 系 统 时 钟 SYSCLK=72MHz 。 AHB 分频系数为 1 ，故其频率为 HCLK=SYSCLK/1=72MHz。APB1 分频系数为 2，故其频率为 PCLK1=HCLK/2=36MHz。APB2 分频系数为 1，故其频率为 PCLK2=HCLK/1=72/1=72MHz。最后我们总结一下通过调用函数 Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9)之后的关键时钟频率值：
SYSCLK(系统时钟) =72MHz
PLL 主时钟 =72MHz
AHB 总线时钟（HCLK=SYSCLK/1） =72MHz
APB1 总线时钟（PCLK1=HCLK/2） =36MHz
APB2 总线时钟（PCLK2=HCLK/1） =72MHz

系统时钟使能配置

在 STM32F1 的 HAL 库中，外设时钟使能操作都是在 RCC 相关固件库文件头文件 stm32f1xx_hal_rcc.h 定义的。大家打开stm32f1xx_hal_rcc.h 头文件可以看到文件中除了少数几 个函数声明之外大部分都是宏定义标识符。外设时钟使能在 HAL 库中都是通过宏定义标识符来实现的。我们的宏是__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()，宏定义里面有SET_BIT()函数，SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN); 意思很清楚哈，里面是寄存器配置APB2ENR，后面是配置的位，是一个宏

#define RCC_APB2ENR_IOPAEN ((uint32_t)0x00000001) 

作用是设置寄存器 RCC->APB2ENR 寄存器的位 2 为 1。我们可以从 STM32F1 的中文参考手册中搜索 APB2ENR 寄存器定义，位 2 的作用是用来使用 GPIOA 时钟。而配置描述如下：
IOPAEN:IO 端口 A 时钟使能
由软件置 1 和清零
0：禁止 IO 端口 A 时钟
1：使能 IO 端口 A 时钟
那么我们对各个时钟的使能就可以用以下方式表述：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能 GPIOA 时钟 
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();//使能 DMA1 时钟 
__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();//使能串口 2 时钟 
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();//使能 TIM1 时钟

我们使用外设的时候需要使能外设时钟，如果我们不需要使用某个外设，同样我们可以禁止某个外设时钟。禁止外设时钟使用方法和使能外设时钟非常类似，同样是头文件中定义的宏定义标识符。我们同样以 GPIOA 为例，宏定义标识符为：

#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE() \ 
(RCC->APB2ENR &= ~(RCC_APB2ENR_IOPAEN)) 

禁止外设时钟的设置为：

__HAL_RCC_DMA1_CLK_DISABLE();//禁止 DMA1 时钟 
__HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE();//禁止串口 2 时钟 
__HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE();//禁止 TIM1 时钟