STM32时钟系统配置程序源码深入分析

一、分析程序的目的

最近我在移植实时系统是遇到了一些问题，所以决定深入了解系统时钟的配置过程，当然想要学好stm32的小伙伴也有必要学习好时钟系统的配置，所以我将学习的过程再次记录，有写得不好的地方，望小伙伴指出。

之前我已经记录过一篇关于时钟系统的文章，对程序中不了解的地方可以看我之前的笔记“STM32时钟系统的配置寄存器和源码分析”。

这里我用的芯片是STM32F103C8T6，用的库函数是厂家提供的案例中提取出来的，这里可能和其他型号的mcu有细微差别，但是原理都是一样的。

二、程序执行的过程

当系统复位信号发生的时候，程序将执行复位中断函数，而在复位中断函数中是先执行SystemInit函数后在执行__main函数，如下图所示：

系统调用SystemInit函数后完成系统时钟的配置，系统时钟配置的过程如下所示：

从图中可知，在系统时钟配置的第三步有多个函数可以选择，这里可以根据自己的需求选择相应的配置流程，只需要在stm32f10x.h文件中定义相应的宏即可（默认配置为72MHz），如下图所示：

在分析程序之前，需要了解一下相关寄存器的地址以及相应寄存器的作用，如下所示：

typedef struct
{
  __IO uint32_t CR;    // HSI、HSE、CSS、PLL等的使能和就绪标志位
  __IO uint32_t CFGR;    // PLL等的时钟源选择，分频系数设定
  __IO uint32_t CIR;    // 清除/使能时钟就绪中断
  __IO uint32_t APB2RSTR;    // APB2线上外设复位寄存器
  __IO uint32_t APB1RSTR;    // APB1线上外设复位寄存器
  __IO uint32_t AHBENR;    // DMA、SDIO等时钟使能
  __IO uint32_t APB2ENR;    // APB2线上外设时钟使能
  __IO uint32_t APB1ENR;    // APB1线上外设时钟使能
  __IO uint32_t BDCR;    // 备用域控制寄存器
  __IO uint32_t CSR;    // 控制状态寄存器
} RCC_TypeDef;

以上的寄存器都是相对RCC寄存器进行偏移的，如下图所示：

通过查找stm32f10x.h文件中的定义可以知道寄存器RCC的地址，如下所示：

RCC = RCC_BASE = AHBPERIPH_BASE + 0x1000 = PERIPH_BASE（0x40000000） + 0x20000 = 0x40021000

三、SystemInit函数

程序如下所示：

/* 将RCC时钟配置重置为默认重置状态 */
void SystemInit (void)
{
  /* 打开HSION位(内部高速时钟使能) */
  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;

  /* 复位SW、HPRE、PPRE1、PPRE2、ADCPRE和MCO位 */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;  

  /* 复位 HSEON, CSSON 和 PLLON 位  */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;

  /* 复位 HSEBYP 位 */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

  /* 复位 PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL 和 USBPRE/OTGFSPRE 位 */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;

  /* 禁用所有中断并清除挂起位 */
  RCC->CIR = 0x00000000;

  /* 配置系统时钟频率、HCLK、PCLK2和PCLK1预分频器 */
  /* 配置闪存延迟周期并启用预取缓冲区 */
  SetSysClock();

}

从上面的代码可以看出，和库函数中的RCC_DeInit所执行的代码一下，所以在用户程序中需要从新配置系统时钟的话，不需要通过上面的代码将时钟配置为默认状态，只要调用RCC_DeInit函数即可。如下图所示：

有不明白的地方只需要和相应的寄存器对应一下即可，相关的寄存说明请看“STM32时钟系统的配置寄存器和源码分析”。

四、SetSysClock函数

static void SetSysClock(void)
{
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
  SetSysClockToHSE();
#elif defined SYSCLK_FREQ_20MHz
  SetSysClockTo20();
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
  SetSysClockTo36();
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
  SetSysClockTo48();
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
  SetSysClockTo56();
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
  SetSysClockTo72();
#endif

这是根据文件中的宏定义选择相应的系统时钟配置函数，有需要更改的直接定义相应的宏即可，系统默认是的72MHz

五、SetSysClockTo72函数

static void SetSysClockTo72(void)
{
  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;

  /*!< SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/
  /*!< Enable HSE */
  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

  /*!< Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */
  do
  {
    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
    StartUpCounter++;
  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSEStartUp_TimeOut));

  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)
  {
    HSEStatus = (uint32_t)0x01;
  }
  else
  {
    HSEStatus = (uint32_t)0x00;
  }  

  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)
  {
    /*!< Enable Prefetch Buffer */
    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;

    /*!< Flash 2 wait state */
    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    

    /*!< HCLK = SYSCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;

    /*!< PCLK2 = HCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;

    /*!< PCLK1 = HCLK */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;

    /*!< PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL9);

    /*!< Enable PLL */
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /*!< Wait till PLL is ready */
    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
    {
    }

    /*!< Select PLL as system clock source */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    

    /*!< Wait till PLL is used as system clock source */
    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
    {
    }
  }
  else
  { /*!< If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock
         configuration. User can add here some code to deal with this error */    

    /*!< Go to infinite loop */
    while (1)
    {
    }
  }
}

• 使能外部高速时钟

  // #define  RCC_CR_HSEON                        ((uint32_t)0x00010000)
  
  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
  
  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);
  
  do
  {
      HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
      StartUpCounter++;
  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSEStartUp_TimeOut));
  
  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)
  {
      HSEStatus = (uint32_t)0x01;
  }
  else
  {
      HSEStatus = (uint32_t)0x00;
  }
  

  从定义为文件中可知RCC_CR_HSEON为0x00010000，也就是CR寄存器的第17位为1。HSEStartUp_TimeOut为0x0500表示HSE启动超时，也就是说如下图所示：
  
  
  
  注意：执行完上面程序后，接着判断外部时钟是否就绪，只要当外部时钟就绪后才执行后面的流程，否成启动失败，程序将卡在while位置

• FLASH处理

  FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
  
  /*!< Flash 2 wait state */
  FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
  FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    
  
  

  由于CPU的速度比flash的速度要快，所以这里需要让cpu等待两个时钟

• 设置AHB、APB1、APB2预分频的值

  // RCC_CFGR_HPRE_DIV1 = 0x00000000
  // RCC_CFGR_PPRE2_DIV1 = 0x00000000
  // RCC_CFGR_PPRE1_DIV2 = 0x00000400
  
  /*!< HCLK = SYSCLK */
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
  
  /*!< PCLK2 = HCLK */
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
  
  /*!< PCLK1 = HCLK/2 */
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;
  
  

  从注释中可知AHB和APB2的预分频为1，APB1的预分频为2（因为PCLK1的最大频率为36MHz）
  
  

• 设置PLL的时钟源和倍频

  // RCC_CFGR_PLLSRC = 0x00010000
  // RCC_CFGR_PLLXTPRE = 0x00020000
  // RCC_CFGR_PLLMULL = 0x003C0000
  // RCC_CFGR_PLLMULL9 = 0x001C0000
  
  /*!< PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));
  RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL9);
  
  

  第一行代码的作用是将CFGR的[16:21]寄存器复制为0，第二行是将HSE设置为PLL的时钟源，HSE分频器不分频，PLL倍频系数设置为9
  
  

• 使能PLL时钟

  // RCC_CR_PLLON = 0x01000000
  // RCC_CR_PLLRDY = 0x02000000
  
  /*!< Enable PLL */
  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
  
  /*!< Wait till PLL is ready */
  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
  {
  }
  
  

  使能PLL时钟，并等待PLL时钟就绪
  
  

• 设置PLL作为系统时钟源

  // RCC_CFGR_SW = 0x00000003
  // RCC_CFGR_SW_PLL = 0x00000002
  // RCC_CFGR_SWS = 0x0000000C
  
  /*!< Select PLL as system clock source */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    
  
  /*!< Wait till PLL is used as system clock source */
  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
  {
  }
  

  设置PLL作为系统时钟源，并判断是否成功
  
  

注意： SetSysClockTo72函数的作用是配置HCLK为72MHz、PCLK1为36MHz、PCLK2为72MHz，如下图所示：

六、时钟配置系统的库函数

头文件是stm32f10x_rcc.h，源文件是stm32f10x_rcc.c

1. 时钟使能配置

   // HSE时钟使能
   void RCC_HSEConfig(uint32_t RCC_HSE);
   // HSI时钟使能
   void RCC_HSICmd(FunctionalState NewState);
   // PLL时钟使能
   void RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState);
   // 启用或禁用指定的RCC中断
   void RCC_ITConfig(uint8_t RCC_IT, FunctionalState NewState)
   // 使能LSI时钟
   void RCC_LSICmd(FunctionalState NewState);
   // 使能RTC时钟
   void RCC_RTCCLKCmd(FunctionalState NewState)
   // 使能AHB外围时钟
   void RCC_AHBPeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState)
   // 使能高速APB（APB2）外围时钟
   void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState)
   // 使能低速APB（APB1）外围时钟
   void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState)
   // 使能时钟安全系统
   void RCC_ClockSecuritySystemCmd(FunctionalState NewState)
   
   

2. 时钟相关配置

   // 配置PLL时钟源,仅当PLL禁用时，才能使用此功能。
   void RCC_PLLConfig(uint32_t RCC_PLLSource, uint32_t RCC_PLLMul)
   // 配置系统时钟（SYSCLK）。
   void RCC_SYSCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLKSource)
   // 配置AHB时钟（HCLK）
   void RCC_HCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLK)
   // 配置低速APB时钟（PCLK1）
   void RCC_PCLK1Config(uint32_t RCC_HCLK)
   // 配置高速APB时钟（PCLK2）
   void RCC_PCLK2Config(uint32_t RCC_HCLK)
   // 配置USB时钟（USBCLK）
   void RCC_USBCLKConfig(uint32_t RCC_USBCLKSource)
   // 配置ADC时钟（ADCCLK）
   void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)
   // 配置外部低速振荡器(LSE)
   void RCC_LSEConfig(uint8_t RCC_LSE)
   // 配置RTC时钟（RTCCLK）
   void RCC_RTCCLKConfig(uint32_t RCC_RTCCLKSource)
   
   

3. 其他时钟配置

   // 调整内部高速振荡器（HSI）校准
   void RCC_AdjustHSICalibrationValue(uint8_t HSICalibrationValue)
   // 获取时钟源
   uint8_t RCC_GetSYSCLKSource(void)
   // 等待HSE时钟启动
   ErrorStatus RCC_WaitForHSEStartUp(void)
   // 获取对应的时钟频率
   void RCC_GetClocksFreq(RCC_ClocksTypeDef* RCC_Clocks)
   // 强制复位高速APB（APB2）外围设备
   void RCC_APB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState)
   // 强制复位低速APB（APB1）外围设备
   void RCC_APB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState)
   // 强制重置备份域
   void RCC_BackupResetCmd(FunctionalState NewState)
   // 选择要在MCO引脚上输出的时钟源
   void RCC_MCOConfig(uint8_t RCC_MCO)
   // 检查是否设置了指定的RCC标志
   FlagStatus RCC_GetFlagStatus(uint8_t RCC_FLAG)
   // 清除RCC重置标志
   void RCC_ClearFlag(void)
   // 检查是否发生了指定的RCC中断
   ITStatus RCC_GetITStatus(uint8_t RCC_IT)
   // 清除RCC中断挂起位
   void RCC_ClearITPendingBit(uint8_t RCC_IT)
   
   

七、通过库函数配置时钟系统

void HSE_SetClk(uint32_t RCC_PLLMul_x)
{
    ErrorStatus HSEStaus;
    // 使能外部时钟（HSE）
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    HSEStaus = RCC_WaitForHSEStartUp();
    if ()
    {
        // 使能预取值
        未完成，稍后补上........

    }

}