基础——MCU的电源，复位和时钟系统（STM32为例）1. 电源供电2. 上电复位和手动复位4. 系统时钟的初始化寄存器源码分析5. 时钟配置

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我是靠谱客的博主义气便当，这篇文章主要介绍基础——MCU的电源，复位和时钟系统（STM32为例）1. 电源供电2. 上电复位和手动复位4. 系统时钟的初始化寄存器源码分析5. 时钟配置，现在分享给大家，希望可以做个参考。

1. 电源供电

2. 上电复位和手动复位

2.1 硬件复位

2.2 软件复位

3.1 晶振

3.2 内部时钟和外部时钟的不同

3.3 HSE和LSE外部电路的硬件设计

3.4 时钟具体理解

4. 系统时钟的初始化寄存器源码分析

5. 时钟配置

1. 电源供电

看下面的框图，STM32F429的电源供电，能看到Vdd，Vdda，Vcap，Vss一堆电源标识：

这些常用标识的解释如下：

vss为接地端，其他都是为各功能分别供电的。

2. 上电复位和手动复位

当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。

如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。

2.1 硬件复位

STM32F429开发板的硬件复位原理图如下：

STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即RESET为低电平时，CPU处于复位状态。
R21和C37组成简单的RC复位电路。当系统上电瞬间，电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过电阻给电容充电，当电容的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证RESET低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
当按下RESET轻触开关时，C37两端被短路接地，可实现手动复位CPU。

2.2 软件复位

除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm4.h文件提供，函数如下：

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/**
  brief   System Reset
  details Initiates a system reset request to reset the MCU.
 */
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{
  __DSB();                                  /* Ensure all outstanding memory accesses included
                                              buffered write are completed before reset */
  SCB->AIRCR  = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)    |
                           (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
                            SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk    );        /* Keep priority group unchanged */
  __DSB();                                                         /* Ensure completion of memory access */

  for(;;)                                                          /* wait until reset */
  {
    __NOP();
  }
}

软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：

3. RCC时钟控制

首先，单片机能正常工作的必要条件之一就是时钟电路，时钟是单片机的脉搏，是单片机的驱动源，单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍进行工作的。这个脉冲由单片机控制器中的时序电路发出的。所以单片机就很需要晶振。

3.1 晶振

晶振，全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来，可以生成频率和峰值稳定的正弦波。而单片机在运行的时候，需要一个脉冲信号，做为自己执行指令的触发信号，可以简单的想象为：单片机收到一个脉冲，就执行一次或多次指令。

单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12兆赫兹晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×（1/12）us，也就是1us。

3.2 内部时钟和外部时钟的不同

首先，晶振是时钟电路的振荡器，时钟信号由振荡电路产生。

由芯片内部RC时钟电路产生时钟信号，即内部时钟。
由芯片外部晶体，加振荡电路产生时钟信号，即外部时钟。

STM3F429有如下四种时钟源可供使用：

HSI (High-speed internal oscillator) ：

HSI是内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。

HSE (High-speed external oscillator):

HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。

LSE (Low-speed external oscillator)

LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。

LSI (Low-speed internal oscillator)

LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。

通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：

这里写图片描述

3.3 HSE和LSE外部电路的硬件设计

HSE时钟

当前开发板是用的8MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：

晶振和负载电容需要尽可能近地靠近F4的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。

对于C109和C111，我们推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C109和C111通常具有相同的值。

这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：一般板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到26MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：

而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-26MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：

LSE时钟

当前开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：

3.4 时钟具体理解

这里写图片描述

STM32 也可以说有5个时钟源:HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。

①、HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为16MHz，精度不高。可以直接作为系统时钟或者用作PLL时钟输入。

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。(此处以25M为例)

③、LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为32kHz，提供低功耗时钟。主要供独立看门狗和自动唤醒单元使用。

④、LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。RTC

⑤、PLL为锁相环倍频输出。

PLL 为锁相环倍频输出。 STM32F4 有三个 PLL:
1）主 PLL(PLL)由 HSE 或者 HSI 提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟。第一个输出 PLLP 用于生成高速的系统时钟（最高 180MHz）第二个输出 PLLQ 为 48M 时钟，用于 USB OTG FS 时钟，随机数发生器的时钟和 SDIO时钟。

2）第一个专用 PLL(PLLI2S)用于生成精确时钟，在 I2S 和 SAI1 上实现高品质音频性能。其中， N 是用于 PLLI2S vco 的倍频系数，其取值范围是： 192~432； R 是 I2S 时钟的分频系数，其取值范围是： 2~7； Q 是 SAI 时钟分频系数，其取值范围是： 2~15； P 没用到。

3）第二个专用 PLL(PLLSAI)同样用于生成精确时钟，用于 SAI1 输入时钟，同时还为 LCD_TFT接口提供精确时钟。其中， N 是用于 PLLSAI vco 的倍频系数，其取值范围是： 192~432；Q 是 SAI 时钟分频系数，其取值范围是： 2~15； R 是 LTDC 时钟的分频系数，其取值范围是： 2~7； P 没用到。

主 PLL 时钟第一个高速时钟输出 PLLP 的计算方法：配置180MHz为例：

分析：主 PLL 时钟的时钟源要先经过一个分频系数为 M 的分频器，然后经过倍频系数为 N 的倍频器出来之后还需要经过一个分频系数为 P（第一个输出 PLLP）或者 Q（第二个输出 PLLQ）的分频器分频之后，最后才生成最终的主 PLL 时钟。例如我们的外部晶振选择 25MHz。同时我们设置相应的分频器 M=25，倍频器倍频系数 N=360，分频器分频系数 P=2，那么主 PLL 生成的第一个输出高速时钟 PLLP 为：

PLL=25MHz * N/ (M*P)=25MHz* 360 /(25*2) = 180MHz

配置过程如下图所示：

4. 系统时钟的初始化寄存器源码分析

在系统进入主函数之前，首先会执行SystemInit这个函数对系统进行初始化

看一看这个程序的内容：

源代码如下：

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void SystemInit(void)
{
/* FPU 设置------------------------------------------------------------*/
#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
#endif
/* 复位 RCC 时钟配置为默认配置-----------*/
RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;//打开 HSION 位
RCC->CFGR = 0x00000000;//复位 CFGR 寄存器
RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;//复位 HSEON, CSSON and PLLON 位
RCC->PLLCFGR = 0x24003010; //复位寄存器 PLLCFGR
RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;//复位 HSEBYP 位
RCC->CIR = 0x00000000;//关闭所有中断
#if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
SystemInit_ExtMemCtl();
#endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
/* 配置中断向量表地址=基地址+偏移地址 ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
#else
SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
#endif
}

可以看出这段代码的作用是：
1） FPU 设置
2）复位 RCC 时钟配置为默认复位值（默认开始了 HIS）
3）外部存储器配置
4）中断向量表地址配置

做了这些工作，但是在F4的HAL库汇总SystemInit函数，并没有设置系统的主频和外设时钟的频率，所以所以需要自己去写这个函数。

首先先分析一下使用寄存器版本来写的SystemInit函数吧：

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//系统时钟初始化函数
//plln:主PLL倍频系数(PLL倍频),取值范围:64~432.
//pllm:主PLL和音频PLL分频系数(PLL之前的分频),取值范围:2~63.
//pllp:系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)
//pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.
void Stm32_Clock_Init(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)
{  
	RCC->CR|=0x00000001;		//设置HISON,开启内部高速RC振荡
	RCC->CFGR=0x00000000;		//CFGR清零 
	RCC->CR&=0xFEF6FFFF;		//HSEON,CSSON,PLLON清零 
	RCC->PLLCFGR=0x24003010;	//PLLCFGR恢复复位值 
	RCC->CR&=~(1<<18);			//HSEBYP清零,外部晶振不旁路
	RCC->CIR=0x00000000;		//禁止RCC时钟中断 
	Sys_Clock_Set(plln,pllm,pllp,pllq);//设置时钟 
	//配置向量表				  
#ifdef  VECT_TAB_RAM
	MY_NVIC_SetVectorTable(1<<29,0x0);
#else   
	MY_NVIC_SetVectorTable(0,0x0);
#endif 
}

这个函数需要的参数是4个，分别与系统原理图对应的是，如下图所示：

接下来，查看时钟控制CR寄存器的描述：

（1）开启HISON，开启内部高速RC震荡

（2）时钟配置寄存器CFRG清零

（3）配置时钟控制CR寄存器，使位HSEON,CSSON,PLLON清零（第16、19、24位）

（4）RCC PLL 配置寄存器 (RCC_PLLCFGR),恢复默认值：

RCC->PLLCFGR=0x24003010; //PLLCFGR恢复复位值

（5）设置CR寄存器，外部晶振不旁路

（6）RCC 时钟中断寄存器 (RCC_CIR)，RCC->CR=0X00000000; //禁止RCC时钟中断

（7）设置时钟，使用函数Sys_Clock_Set(plln,pllm,pllp,pllq);//设置时钟，函数原型如下：

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u8 Sys_Clock_Set(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)
{ 
	u16 retry=0;
	u8 status=0;
	RCC->CR|=1<<16;				//HSE 开启 
	while(((RCC->CR&(1<<17))==0)&&(retry<0X1FFF))retry++;//等待HSE RDY
	if(retry==0X1FFF)status=1;	//HSE无法就绪
	else   
	{
		RCC->APB1ENR|=1<<28;	//电源接口时钟使能
		PWR->CR|=3<<14; 		//高性能模式,时钟可到180Mhz
		RCC->CFGR|=(0<<4)|(5<<10)|(4<<13);//HCLK 不分频;APB1 4分频;APB2 2分频. 
		RCC->CR&=~(1<<24);	//关闭主PLL
		RCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);//配置主PLL,PLL时钟源来自HSE
		RCC->CR|=1<<24;			//打开主PLL
		while((RCC->CR&(1<<25))==0);//等待PLL准备好 
		FLASH->ACR|=1<<8;		//指令预取使能.
		FLASH->ACR|=1<<9;		//指令cache使能.
		FLASH->ACR|=1<<10;		//数据cache使能.
		FLASH->ACR|=5<<0;		//5个CPU等待周期. 
		RCC->CFGR&=~(3<<0);		//清零
		RCC->CFGR|=2<<0;		//选择主PLL作为系统时钟	 
		while((RCC->CFGR&(3<<2))!=(2<<2));//等待主PLL作为系统时钟成功. 
	} 
	return status;
}

（8）.RCC->CR|=1<<16; //设置CR寄存器的第16位为1，HSE 开启

（9）等待HSE时钟就绪，判断CR寄存器的第17位是否为1，返回1准备就绪，如果超时，返回标志位status=1.

（10）如果准备就绪，使能电源接口时钟，RCC->APB1ENR|=1<<28; //设置APB1ENR寄存器28位为1电源接口时钟使能

（11）开始电源的高性能模式，PWR->CR|=3<<14; //高性能模式,时钟可到180Mhz

（11）.配置RCC的CFGR寄存器，//HCLK 不分频;APB1 4分频;APB2 2分频

（12）.RCC->CR&=~(1<<24); //关闭主PLL，配置主PLL的一些参数，配置完再重新打开

（13）.//配置主PLL,PLL时钟源来自HSE，RCC->PLLCFGR=pllm|(plln<<6)|(((pllp>>1)-1)<<16)|(pllq<<24)|(1<<22);

pllm,设置PLLM

(plln<<6)，设置PLLN

(((pllp>>1)-1)<<16),设置系统时钟的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2,4,6,8.(仅限这4个值!)

为何是：(((pllp>>1)-1)<<16)呢？如下解释，当我们取值pllp为2时，可以得到(((pllp>>1)-1)<<16)=0

当pllp取值为4时，(((pllp>>1)-1)<<16)=1，同理，pllp取值为6时，(((pllp>>1)-1)<<16)=3.其实就是在调用函数的时候方便设置。可以看都这个寄存器的位，当第17:16为0时，就是这只pllp为2分频。

(pllq<<24)，pllq:USB/SDIO/随机数产生器等的主PLL分频系数(PLL之后的分频),取值范围:2~15.

(1<<22)，选择主PLL的时钟源是HSE外部震荡时钟、

所以第13步骤，完成的工作就是如下如所示的设置：

（14）.设置完主PLL之后，重新打开主PLL: RCC->CR|=1<<24; //打开主PLL

（15）.每次打开PLL之前，都要等待就绪：while((RCC->CR&(1<<25))==0);//等待PLL准备好

（16）.设置FLASH寄存器参数：

FLASH->ACR|=1<<8;       //指令预取使能.
FLASH->ACR|=1<<9;       //指令cache使能.
FLASH->ACR|=1<<10;       //数据cache使能.
FLASH->ACR|=5<<0;       //5个CPU等待周期.

（17）.设置CFRG(RCC时钟配置寄存器)选择PLL作为系统时钟，RCC->CFGR&=~(3<<0); //清零 RCC->CFGR|=2<<0;

（18）.等待主PLL设置为系统主时钟成功：while((RCC->CFGR&(3<<2))!=(2<<2));

语句含义：当CFGR的3：2位不等于01时就说明主PLL还未就绪，就绪等待。

（19）.最后一步，配置向量表。

通过这样的设置系统时钟的整体配置就OK了。

如果调用函数：u8 Sys_Clock_Set(u32 plln,u32 pllm,u32 pllp,u32 pllq)，产生180Mhz的主频

设置参数：外部晶振为25M的时候:plln=360,pllm=25,pllp=2,pllq=8.

5. 时钟配置

STM32F4开发板使用的外部晶振频率是8MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到168MHz的主频。

第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE

配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。

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#if !defined  (HSE_VALUE) 
#define HSE_VALUE    ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */

第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32f429xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。

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Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                    [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：

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1.    /**
2.      * @brief  Setup the microcontroller system
3.      *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4.      *         configuration.
5.      * @param  None
6.      * @retval None
7.      */
8.    void SystemInit(void)
9.    {
10.      /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11.      #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12.        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
13.      #endif
14.      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15.      /* Set HSION bit */
16.      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.    
24.      /* Reset PLLCFGR register */
25.      RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.    
27.      /* Reset HSEBYP bit */
28.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.    
30.      /* Disable all interrupts */
31.      RCC->CIR = 0x00000000;
32.    
33.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34.      SystemInit_ExtMemCtl(); 
35.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.    
37.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
39.      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40.    #else
41.      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42.    #endif
43.    }

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1.    /**
2.      * @brief  Setup the microcontroller system
3.      *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4.      *         configuration.
5.      * @param  None
6.      * @retval None
7.      */
8.    void SystemInit(void)
9.    {
10.      /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11.      #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12.        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
13.      #endif
14.      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15.      /* Set HSION bit */
16.      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
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24.      /* Reset PLLCFGR register */
25.      RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
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27.      /* Reset HSEBYP bit */
28.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.    
30.      /* Disable all interrupts */
31.      RCC->CIR = 0x00000000;
32.    
33.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34.      SystemInit_ExtMemCtl(); 
35.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.    
37.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
39.      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40.    #else
41.      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42.    #endif
43.    }