代码收藏家技术教程 2024-03-01

深入理解STM32时钟的工作原理和应用

时钟基本概念

要是想学习时钟，我们首先需要了解，什么是时钟

1）时钟是嵌入式系统的脉搏，处理器内核在时钟驱动下完成指令执行，状态变换等动作，

外设部件在时钟的驱动下完成各种工作，例如：串口数据的发送、AD转换、定时器计数等

因此时钟对于计算机系统是至关重要的，通常时钟系统出现问题也是致命的，比如振荡器不起振、振荡不稳、停振等。时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令，时钟就像人的心跳一样。

2）时钟系统的组成：时钟源（振荡源)、唤醒定时器、倍频器、分频器

只看上面这些文字可能会有些晦涩难懂，但是，请不要跳过，选择先记住时钟系统的组成，下面来看一下组成时钟系统的分别是什么

时钟系统的组成

时钟源

晶体振荡器

采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器。

工作原理：晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。

优点：晶体振荡器信号稳定、质量好，连接方式简单。

缺点：价格高，需要较长的启动时间（起振时间）

晶体振荡器分类：

无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。

有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此

体积较大。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，信号稳定，质量较好，而且连接方式比较简单。

RC振荡器

由电阻和电容设计的振荡电路，能够将直流电转换成具有一定频率的交流信号输出。

优点：实现的成本比较低，仅由电阻电容构成。

缺点：精度存在问题，振荡频率会存在误差。

倍频器

CPU需要更高频率，晶体振荡器制作成本较高(而且自身不稳定)，不易直接生产高频振荡器，可以利用倍频器对现有时钟频率进行放大。

分频器

外设需要不同频率，为了降低功耗，可以进行分频以提供不同频率时钟信号。

STM32G030系列的时钟源

在STM32中，有五个时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。
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。
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/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。
其中FCLK,HCLK,PCLK都称为系统时钟,但区别如下,
FCLK,提供给CPU内核的时钟信号,CPU的主频就是指这个信号;
HCLK,提供给高速总线AHB的时钟信号;
PCLK,提供给低速总线APB的时钟信号;

SYSCLK 系统时钟，最大72MHz
HCLK ：AHB总线时钟，由系统时钟SYSCLK 分频得到，一般不分频，等于系统时钟
经过总线桥AHB–APB，通过设置分频，可由HCLK得到 PCLK1与PCLK2时钟
不过PCLK2时钟最高可达72MHz，而PCLK1最大36MHz。PCLK2对应APB2外设。PCLK1对应APB1外设

时钟树

RTC实时时钟是一个独立的定时器。STM32 的 RTC 模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。只要电源电压保持在工作范围内，RTC永远不会停止。

Hclk为高性能总线(AHB bus peripherals )供给时钟信号(AHB为advanced high-performance bus) ; 由系统时钟SYSCLK分频得到，一般不分频，等于系统时钟，HCLK是高速外设时钟，是给外部设备的，比如内存，flash。

Pclk为低速总线外设总线(APB busperipherals）供给时钟信号

PLL为锁相环倍频输出，如果希望有一个比较大的时钟频率，可选择 PLLCLK 作为系统时钟。其时钟输入源可选择为HSI，HSE、倍频可选择为8~86倍，但是其输出频率最大不超过64MHz

注：我们需要知道的是，机器是没有时间概念的，他们只能计数，所以，所谓的定时器就是计数器

滴答定时器 Systick

概念：

SysTick又称滴答定时器。是一个定时设备，位于Cortex-M0内核中，和NVIC捆绑，产生SysTick异常(IRQ异常号15)可以对输入的时钟进行计数，系统定时器一般用于操作系统，用于产生时基，维持操作系统的心跳。

工作原理

如果想要滴答定时器每隔1ms触发一次异常，首先要知道我们输入的时钟频率是多少，已知是16MHZ，那如果想计1ms需要重装载寄存器写 16000 -1.

即Systick计数16000次后会产生一次溢出中断。

那么来了，系统是怎么给重装载寄存器写16000-1的，看线路图

进入初始化函数

进入配置函数，可以看到其传入的参数为（1600 0000/1000/1 ）

进入这个函数后可以看到，函数将装载寄存器写入了1600 0000/1000 -1即 16000-1，达到预设要求。可实现每隔1ms触发一次中断。

中断发生后会进入中断处理函数，现在追寻处理函数的处理流程

找到中断向量表进入。

可看到，每次触发中断即每隔1ms会有一个叫uwtick的变量自加1。

HAL_Delay函数的底层实现就是依据uwtick实现的，先看看其代码

按键中断，终端过程中进了HAL_Delay,那就会运行到Delay里的while

定时器

基本概念

定时器本质上是一个计数器，可对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断，当这个计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟时，对基准时钟计数的过程就是计时的过程。

定时器分类

定时器的基本结构是通用的，很多模块电路都能用到，所以STM32定时上扩展了非常多的功能，根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型。高级定时器通常提供更多的功能和扩展性，例如可以支持编码器模式、PWM输入输出等。而通用定时器通常可以使用多种计数/工作模式，包括输入捕获、输出比较等。基本定时器相对简单，只能进行单一模式的计数。

STM32G030具有多个定时器，包括基本定时器（TIM6/TIM7）、通用定时器

（TIM3/TIM4/TIM14/TIM15/TIM16/TIM17）和高级控制定时器（TIM1）