代码收藏家技术教程 2023-01-06

【GD32系列开坑：零死角玩转GD32】

【开坑国产单片机GD32系列，带你零死角玩转GD32】

第三章 GD32F103xx时钟系统分析

（1）前言

三十功名尘与土，八千里路云和月；

第二章 GD32开发环境的搭建，常用资料的获取初步地介绍了GD32工程的创建方式以及常用资料获取，但是可能会有彦祖发现，好像没有讲怎么点灯呀？

理论上来说，讲完工程创建，确实应该再讲一下怎么点灯，但是总觉得这中间少了什么，拿到一款MCU之后，很多人会去测试它的IO口，串口，以及I2C等功能，但很多时候我们忽略了一个很重要的部分，也就是时钟系统，时钟系统对于MCU的重要性，等同于彦祖们的关注对我的重要性。

好了！言归正传，在MCU上，不管是哪个外设，它都需要时钟系统对其提供一个基本工作时钟，这个外设才能正常而又协调地运行，下面我们会详细讨论GD32F103xx的时钟系统。（PS：已经开始画GD32F103RCT6的板子了，后续点灯之类的操作，都会在这个板子上进行啦！）

（2）GD32F103xx时钟架构分析

在开始这段话题之前，希望彦祖们已经有GD32F103xx的数据手册了，因为我们这部分的分析，都是围绕数据手册所涉及的内容进行的。

（2.1） GD32F103xx芯片架构图

如图1所示的GD32F103xx芯片架构图可以看出，诸如GPIO，SPI，ADC，DAC等外设，都是挂载在APB1，APB2总线上的，而APB1和APB2总线，都是由AHB总线桥接而成。

包括数据的传输，外设的时钟频率基准，都是由这三条横贯在MCU内部的高速总线提供的，如果把MCU比作一座城市，那么诸如APB1，APB2，AHB等总线，就可以看做是纵横在这座城市的高速公路，如果想要熟悉这座城市，第一件事，应该是要自己去熟悉这座城市的交通吧？难道用高德地图么？

（2.2）GD32F103xx时钟源介绍

       这部分是今天重点讨论的地方，结合数据/用户手册和代码，通过重构整个时钟系统的方式，来分析GD32F103xx的时钟系统的构成和功能。
       我们会发现，有时候我们手上的板子，在MCU的边上，会有一到两个晶振，晶振的外形，焊接方式，封装可能都不一样，就像下面这两个。

      但不管是哪一种，它们都有一个统一的名字，叫做“外部晶振” ，顾名思义，外部晶振就是放在外面的晶振。

      而且外部晶振也分两种，第一种是外部高速晶振，第二种是外部低速晶振，至于这两种的区别，我们待会细讲。
      有时候，我们会发现，某个板子，明明没有外接晶振，但还是能跑起来，跑得还很流畅，这能说明一件事，那就是在MCU内部，同样也是有晶振的，对于GD32F103xx来说，就是以下两个内部晶振：
      在没有外接晶振，或者外部晶振没有被使能的情况下，系统是可以使用内部晶振的，那么这时候就会有彦祖问：怎么通过代码来选择需要使用的晶振和总线的频率呢？问得好！接下来我们通过代码和手册，来一步步地分析GD32F103xx的时钟选择方法以及如何把各个总线设置为不同的时钟频率。

（2.3）GD32F103xx时钟设置及分配

（2.3.1）系统时钟源选择

首先，在Keil中打开之前提供的模板工程，找到文件名为：system_gd32f103x.c 源文件（路径是：GD32F103xxxx工程模板\Libraries\Src，也可以直接在Keil的工程列表界面打开），这个文件存放就是在主函数执行之前，系统所要进行的初始化工作，其中便包含时钟系统的初始化。
打开文件之后，首先出现是以下代码：

/* system frequency define */
#define __IRC8M           (IRC8M_VALUE)            /* internal 8 MHz RC oscillator frequency */
#define __HXTAL           (HXTAL_VALUE)            /* high speed crystal oscillator frequency */
#define __SYS_OSC_CLK     (__IRC8M)                /* main oscillator frequency */

其中的 __IRC8M ，就是在（2.2）GD32F103xx时钟源介绍中提到的内部晶振，而 __HXTAL 就是外部高速晶振，这里要注意一点，由于外部晶振的频率不是固定的，我们要根据我们实际使用的外部晶振的频率修改这个宏定义的数值，修改的方法是：在 HXTAL_VALUE 右键跳转，出现以下代码：

#define HXTAL_VALUE    ((uint32_t)8000000) /* !< from 4M to 16M *!< value of the external oscillator in Hz*/

我使用的是8MHZ的外部晶振，所以设置为 8000000 ，彦祖们可以根据实际使用来修改，避免出现实际的外部晶振是12MHZ，但是这里写的却是8MHZ（我是不会告诉你因为这个错误，我的串口波特率调了一早上）。

另外，__SYS_OSC_CLK 是系统主时钟，这里是系统默认设置，在system_gd32f103x.c中的==SystemInit()==函数，会把__IRC8M 设置为系统默认时钟源，代码如下：

    /* enable IRC8M */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_IRC8MEN;

当RCU_CTL寄存器的IRC_8MEN位被置位（也就是设置为1）时，内部的8MHZ时钟就会被开启，不过虽然内外部时钟一样都是8MHZ，但是内部时钟是RC原理，所以在精度上，是不如外部高速时钟的，如果对时钟精度要求不高的话，倒是可以省下一个外部晶振的成本。
刚刚我们提到了 SystemInit() 函数，这个函数很特殊，之所以这么说，是因为它的执行顺序，在main函数之前，我们可以打开 startup_gd32f10x_hd.s 文件，在159行到165行，会出现以下代码：

IMPORT  __main							;代码1
IMPORT  SystemInit  				    ;代码2
LDR     R0, =SystemInit		            ;代码3
BLX     R0							    ;代码4
LDR     R0, =__main				        ;代码5
BX      R0								;代码6
ENDP							        ;代码7

简单解释以下这几行ARM汇编代码的意思， IMPORT 表示，后面跟着的函数是在其他文件中的定义的，有点像C语言中的extern关键字，这里的__main函数，System_Init函数都是在其他文件中定义的，所以这里会使用IMPORT，而 LDR ，是一种加载指令，用于从存储器中将一个32位的字数据传送到目的寄存器中，然后对数据进行处理。
如代码3所示，System_Init函数代码段的首地址，被加载到了R0寄存器，而 BLX 指令，可以简单地认为是一个子程序调用指令，将System_Init函数代码段的首地址，赋给PC(程序运行指针)，系统就会转头去执行System_Init函数，并且把原先的PC值存储在R14寄存器，用于现场保存和恢复，代码4和代码5 是把main函数的代码段首地址加载到了PC中，这也是为什么System_Init函数会在main函数之前执行的原因了。

有点偏题了，哈哈！我们继续说这个时钟设置的主题！

介绍了几种时钟后，我们接下来要讨论的，就是如何把系统时钟设置为我们的外部晶振，同样还是system_gd32f103x.c 源文件，在47行到61行之间，会有如下代码：

/* select a system clock by uncommenting the following line */
/* use IRC8M */
//#define __SYSTEM_CLOCK_48M_PLL_IRC8M            (uint32_t)(48000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_72M_PLL_IRC8M            (uint32_t)(72000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_IRC8M           (uint32_t)(108000000)

/* use HXTAL (XD series CK_HXTAL = 8M, CL series CK_HXTAL = 25M) */
//#define __SYSTEM_CLOCK_HXTAL                    (uint32_t)(__HXTAL)
//#define __SYSTEM_CLOCK_24M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(24000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_36M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(36000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_48M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(48000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_56M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(56000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_72M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(72000000)
//#define __SYSTEM_CLOCK_96M_PLL_HXTAL            (uint32_t)(96000000)
#define __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL           (uint32_t)(108000000)

以上代码，只需要你把相应的代码行取消注释，那么时钟就设置成功了，这里我把最后一行给取消注释了，也就意味着现在时钟系统最大可以输出108MHZ，很神奇对不对？但是凭各位彦祖的直觉，肯定会觉得不会那么简单，没错！
我们继续往下看system_gd32f103x.c，在111行到113行，我们会看到以下代码：

#elif defined (__SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL)
uint32_t SystemCoreClock = __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL;
static void system_clock_108m_hxtal(void);

这段代码意为：若宏定义了 __SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL ，则系统时钟设置为108MHZ，且采用外部高速时钟，经PLL锁相环倍频，输送其他总线，这些操作，由 system_clock_108m_hxtal() 函数执行。

（2.2.2）时钟配置函数system_clock_108m_hxtal()

好的！现在压力来到了system_clock_108m_hxtal()函数，让我们再一次右键跳转至第822行，在这里我们就能看到时钟配置函数的具体代码（具体跳转行数是由你选择的时钟决定的，不过内部代码套路是一样的），由于代码长度较长，我们分段来看。
和系统时钟设置密切相关的功能，主要是RCU，而RCU中，常用的寄存器，是控制寄存器 (RCU_CTL)，时钟配置寄存器 0 (RCU_CFG0)，时钟配置寄存器 1 (RCU_CFG1)，接下来我们结合代码，按序分析流程。

第一部分：时钟使能以及就绪检查

	uint32_t timeout = 0U;
	uint32_t stab_flag = 0U;
	RCU_CTL |= RCU_CTL_HXTALEN;	                   //代码1					
	do
	{
		timeout++;
		stab_flag = (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB);  //代码2
	}
	while((0U == stab_flag) && (HXTAL_STARTUP_TIMEOUT != timeout));
	if(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB))	       //代码3					
	{
		while(1){}
	}

代码1的功能，是使能HXTAL，即开启外部高速，修改了原先SystemInit()函数将时钟源设置为内部晶振的操作，主要对控制寄存器 (RCU_CTL)进行操作，寄存器结构如下图所示：

代码2和3的功能，是检查HXTAL是否就绪，检查RCU_CTL的HXTALSTB标志，RCU_CTL_HXTALSTB表示的是((uint32_t)((uint32_t)0x01U<<(17)))，用于与RCU_CTL的值进行与运算，如果代码2的stab_flag结果为1，则表示HXTAL已经稳定，代码3的运算也是类似的，用于确定HXTAL是否未准备就绪，RCU_CTL相关位定义如下图所示：
有些时候系统跑不起来，仿真的话，就有可能卡在这一步，具体原因有可能是外部晶振电路工作异常，一般来说，要去检查晶振是否合格，或者说是耦合电容是否合适等，具体原因具体分析。

第二部分：电源管理单元PMU设置

RCU_APB1EN |= RCU_APB1EN_PMUEN;	    //代码4
PMU_CTL |= PMU_CTL_LDOVS;			//代码5

代码4和5的功能，是电源管理单元时钟使能，以及设置LDO的输出为高电压模式，这个可以暂时不处理。

第三部分：PLL以及总线时钟设置

RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;	         //代码6    							
RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;         //代码7						
RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;         //代码8

/* select HXTAL/2 as clock source */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0);	//代码9
RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_CFG0_PREDV0);   //代码10

/* CK_PLL = (CK_HXTAL/2) * 27 = 108 MHz */
RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4);   //代码11
RCU_CFG0 |= RCU_PLL_MUL27;							//代码12
RCU_CTL |= RCU_CTL_PLLEN;                           //代码13
/* wait until PLL is stable */
while(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_PLLSTB))             //代码14
{}
/* select PLL as system clock */
RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;							//代码15
RCU_CFG0 |= RCU_CKSYSSRC_PLL;						//代码16
/* wait until PLL is selected as system clock */
while(0U == (RCU_CFG0 & RCU_SCSS_PLL))              //代码17
{}

讲道理，如果代码能执行到这里，HXTAL就已稳定了，下一步要进行的，就是对PLL的分频系数，倍频系数，以及之后的AHB，APB1和APB2的时钟分频设置，这里主要是操作RCU_CFG0和RCU_CFG1寄存器。

      代码6的功能，是设置AHB总线的时钟，RCU_AHB_CKSYS_DIV1是把RCU_CFG0的AHBPSC[3:0]设置为0xxxx，如图7所示，这里的x表示该位的数据可以随意设置，最终效果是让AHB的时钟等于CK_SYS，至于CK_SYS是什么，是多少，稍后会具体分析，RCU_CFG0寄存器结构如下图所示：

      代码7的功能，是设置APB2总线的时钟，RCU_APB2_CKAHB_DIV1其实和代码6类似，是把RCU_CFG0的APB2PSC[2:0]设置为0xx，即APB2的时钟等于CK_SYS，RCU_CFG0相关位定义如下：
      代码8的功能，是设置APB1总线的时钟，RCU_APB1_CKAHB_DIV2其实和代码6类似，是把RCU_CFG0的APB1PSC[2:0]设置为100，即APB1的时钟等于CK_SYS的1/2，RCU_CFG0相关位定义如下：

      代码9和10，这两项代码是关键代码，决定了PLL的输入时钟的种类，以及是否分频，如图1所示，结构1和结构2的功能就对应代码9和代码10，在这里，PLL的输入时钟被选择为HXTAL，且对输入PLL的HXTAL进行了二分频，具体的RCU_CFG0寄存器的位定义如图2所示：

图1

图2

代码11,12,13和14，这段代码实际上，就是设置了图1的结构3，对输入PLL的时钟，进行了倍频，最后输出CK_PLL时钟，此处的代码11,12最终效果就是把PLL输出的CK_PLL设置为108MHZ，即(HXTAL/2)*27 = 108MHZ，也就是把结构3处的倍频系数设置为27，RCU_CFG0寄存器具体的位定义如图3所示：
图3

代码13，14 的功能，就是在设置完相关的总线频率后，启动PLL，就会有彦祖问了，为啥要现在启动？那是因为只有在PLL未启动的情况下，之前的寄存器设置才会有效，在PLL启动时修改分频和倍频系数，是无效的，或者说会有很大的延迟，而代码14的功能，就是通过检测RCU_CTL寄存器的PLLSTB位来确定，PLL是否已经稳定，如果有彦祖的代码卡在了这里，那么就很有必要检查一下之前的PLL设置是否正确了。

而代码15，16和17 的功能，其实就是把输出为108MHZ的CK_PLL设置为系统时钟，也就是我们之前在代码6出埋下伏笔的CK_SYS ，此处的代码15和16，就是将CK_PLL设置为系统时钟，也就是CK_PLL=CK_SYS，RCU_CFG0相关的位定义如图4所示，最后的代码17，就是等待系统将CK_PLL设置为系统时钟，这玩意设置还是有延迟的，代码17完成后，GD32F103xx的时钟系统设置就大功告成，AHB，APB1，APB2总线的频率，也很明朗了。
图4

最后一问：system_clock_108m_hxtal函数在哪里调用了？
我们会发现，system_clock_108m_hxtal函数好像没有被调用，那我们设置个毛线呀？其实，这个函数已经被调用了，被谁调用了？我们重新回到SystemInit()，在第206行，发现了system_clock_config()，我们继续跳转至system_clock_config()，最终在142行处，发现了我们的system_clock_108m_hxtal()，而SystemInit()，早就已经在main函数之前被调用，所以很多时候，我们在主函数里找不到系统时钟设置函数呀！