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前言

近日，有群友困于STM32的時(shí)鐘系統(tǒng)。這里就詳細(xì)介紹一下關(guān)于內(nèi)外時(shí)鐘切換及時(shí)鐘超頻測(cè)試，希望對(duì)大家能有所幫助。

誠(chéng)然，當(dāng)使用固件庫(kù)時(shí)，把外部晶振摘掉，系統(tǒng)確實(shí)會(huì)自動(dòng)切換到內(nèi)部時(shí)鐘，但是只會(huì)以8M的默認(rèn)值運(yùn)行，顯然這是十分不可行的，8M的速度直接讓我們的STM32病入膏肓，今天的任務(wù)就是讓STM32失去外掛（晶振）時(shí)，依舊可以激情澎湃。

時(shí)鐘詳解這里不過多介紹，自己也沒有別人介紹的好，本文旨在解決現(xiàn)實(shí)問題。

此處插播廣告：群友問過這種問題，外部接8M晶振和16M晶振有啥區(qū)別？

以我微薄的經(jīng)驗(yàn)來看，這兩個(gè)在用的時(shí)候差別不大，如果使用ST的固件庫(kù)（以STM32F103為例），使用8M的晶振會(huì)更方便，不用改任何代碼，時(shí)鐘就是72M的全速運(yùn)行狀態(tài)。如果用16M晶振，則需要修改代碼：

在stm32f10x.h中修改宏定義HSE_VALUE ((uint32_t)8000000)為HSE_VALUE ((uint32_t)16000000)。

之后進(jìn)入system_stm32f10x.c，將RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);改為RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2| RCC_CFGR_PLLMULL9);此處是將輸入時(shí)鐘二分頻為8M，再進(jìn)行9倍頻到72M，和使用了8M沒區(qū)別。

如果不進(jìn)行該二分頻操作，時(shí)鐘還是有的，但是會(huì)以16M為基準(zhǔn)進(jìn)行9倍頻到144M，此時(shí)單片機(jī)以超頻模式運(yùn)行，也是可以運(yùn)行的。但是，時(shí)鐘的精準(zhǔn)性不能得到保證。

系統(tǒng)的時(shí)鐘可以通過添加代碼在debug模式下顯示：

RCC_ClocksTypeDef ClockInfo;
RCC_GetClocksFreq(&ClockInfo);

通過debug模式下觀察ClockInfo的值，便可知道此時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘速度：

這里提一下，在使用外部晶振的情況下，ST即使是超頻，依舊發(fā)揮穩(wěn)定，不得不夸一下ST的質(zhì)量。

此時(shí)我將我的開發(fā)板以8M的基準(zhǔn)倍頻16倍，得到128M的主頻，使用定時(shí)器定時(shí)10us，示波器測(cè)試無誤差。串口通信無誤。

以72M的主頻跑128依舊穩(wěn)定，贊一個(gè)，因?yàn)槲业耐獠烤д裰挥?M最大只能倍頻到128，如果使用外部16M，不知繼續(xù)倍頻可以到多少。不過性能還是很好的。

預(yù)留測(cè)試GD32的效果：

寫本文時(shí)，將GD的GD32E230翻出來進(jìn)行了同樣的測(cè)試，因?yàn)镚D的倍頻器倍數(shù)較高，我已經(jīng)倍頻到144M（標(biāo)準(zhǔn)72M），測(cè)試定時(shí)器依舊穩(wěn)定。

廣告很長(zhǎng)，請(qǐng)忍一下：

上半場(chǎng)結(jié)束，下半場(chǎng)繼續(xù)：

此處歪解一下時(shí)鐘的問題，之前有群友很疑惑單片機(jī)的低功耗和時(shí)鐘的關(guān)系，疑惑高速的時(shí)鐘會(huì)不會(huì)增加MCU的功耗，為啥低功耗要降低時(shí)鐘速度。這里講解一下：

可以用用單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令來看，高速時(shí)鐘在單位時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)跑了更多的指令，而低速時(shí)鐘單位時(shí)間內(nèi)跑的少，而單片機(jī)是直線結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是不會(huì)休息的，功耗就看執(zhí)行的指令多少。而單片機(jī)的低功耗就是降低時(shí)鐘，讓單片機(jī)跑慢點(diǎn)。就像人一樣，低功耗相當(dāng)于你不跑了，原地休息，但是你的心跳不會(huì)停止，你還是得消耗能量，即使再少還得消耗。

就像人一樣，時(shí)鐘就相當(dāng)于心跳，只要還活著就得消耗能量，你要想跑得快，心臟就得跳得快，跳得越快能量消耗越高，即使你去睡覺，心跳只要不停止，你還得消耗能量，如果心跳沒了，整個(gè)人就沒了，MCU也就宕機(jī)了。所以，在處理低功耗時(shí)最先解決的就是時(shí)鐘頻率，只有降低了時(shí)鐘的頻率，才能真正降低功耗。關(guān)于單片機(jī)進(jìn)入低功耗和喚醒，以及降低整體運(yùn)行功耗我看能不能在下文講解，近期剛好做了一個(gè)低功耗的項(xiàng)目，這里留懸念吧。

廣告結(jié)束，正文開始，不好意思，有點(diǎn)喧賓奪主了哈！

回到主題，為了解決時(shí)鐘切換的問題，才有了這個(gè)帖子，上文全屬歪樓，為最近開發(fā)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

我們?cè)谑褂肧TM32103的固件庫(kù)時(shí)，時(shí)鐘配置在system_stm32f10x.c中，但是只是對(duì)外部晶振做了初始化，而對(duì)于內(nèi)部時(shí)鐘并沒有添加代碼，如果你的MCU沒有外部晶振，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是先啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘，然后會(huì)檢測(cè)外部晶振，如果沒有檢測(cè)到晶振，系統(tǒng)便以內(nèi)部的8M繼續(xù)運(yùn)行，這是不合理的。

這里可以看到，如果外部啟動(dòng)失敗，會(huì)進(jìn)入這個(gè)else，但是這個(gè)else中并未添加任何代碼，所以只會(huì)用8M的內(nèi)鐘執(zhí)行，我們要做的就是在else中添加外部啟動(dòng)失敗的代碼：

  /* 開啟HSI 即內(nèi)部晶振時(shí)鐘 */
  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 
  /*選擇HSI為PLL的時(shí)鐘源HSI必須2分頻給PLL*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 
         
  /*PLLCLK=8/2*13=52MHz 設(shè)置倍頻得到時(shí)鐘源PLL的頻率*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;
  /* PLL不分頻輸出*/
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
   
  /* 使能 PLL時(shí)鐘 */
  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
  /* 等待PLL時(shí)鐘就緒*/
  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
  {
  }
  /* 選擇PLL為系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源 */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  
  /* 等到PLL成為系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源*/
  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
  {
}

該代碼填充后如果檢測(cè)到有外部時(shí)鐘，便以外部時(shí)鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)鐘的倍頻處理，達(dá)到用戶想要的時(shí)鐘頻率，如果你的MCU沒有外部時(shí)鐘，則會(huì)執(zhí)行else內(nèi)部的代碼，將時(shí)鐘源切換到內(nèi)部時(shí)鐘并進(jìn)行倍頻，如此便達(dá)到了自動(dòng)檢測(cè)時(shí)鐘的目的。

問題：這是我根據(jù)STM32F031的時(shí)鐘切換代碼演變來的，但是這個(gè)只能用于主頻小于或等于48M時(shí)使用，如果倍頻因子超過12，也就是主頻超過48M是，就會(huì)出現(xiàn)硬件錯(cuò)誤，直接卡死。當(dāng)需要更高的主頻時(shí)就需要如下配置。

在else里面最開頭添加：

  /* 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;

問：如果我的MCU有晶振，但是我不想用外部，就想用內(nèi)部，如何處理呢？

答：打一頓就好了，有外部不用干啥用內(nèi)部呢？

上述純屬惡搞自己，被坑過……

因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘不準(zhǔn)?。?！測(cè)試內(nèi)部時(shí)鐘在使用定時(shí)器時(shí)會(huì)有偏差，本人在此吃過虧。此問題在STM32F031和GD32E230中均有體現(xiàn)。但是USART和SPI通信是正常的，即使我用的2.5M波特率的USART和8M的SPI。

解決辦法，上述代碼不用動(dòng)，添加如下代碼。

通過注釋原文RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);并添加RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);可默認(rèn)之以內(nèi)部時(shí)鐘方式啟動(dòng)。 注意：在主函數(shù)加上SystemInit();函數(shù)哦?。?！最終代碼如下：

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);


  /*取消改行注釋并注釋上文，可默認(rèn)啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘*/


  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 != HSE_STARTUP_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;






#ifdef STM32F10X_CL


  /* Configure PLLs ------------------------------------------------------*/


  /* PLL2 configuration: PLL2CLK = (HSE / 5) * 8 = 40 MHz */


  /* PREDIV1 configuration: PREDIV1CLK = PLL2 / 5 = 8 MHz */


  


  RCC->CFGR2 &= (uint32_t)~(RCC_CFGR2_PREDIV2 | RCC_CFGR2_PLL2MUL |


          RCC_CFGR2_PREDIV1 | RCC_CFGR2_PREDIV1SRC);


  RCC->CFGR2 |= (uint32_t)(RCC_CFGR2_PREDIV2_DIV5 | RCC_CFGR2_PLL2MUL8 |


         RCC_CFGR2_PREDIV1SRC_PLL2 | RCC_CFGR2_PREDIV1_DIV5);





  /* Enable PLL2 */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLL2ON;


  /* Wait till PLL2 is ready */


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLL2RDY) == 0)


  {


  }


  


 


  /* PLL configuration: PLLCLK = PREDIV1 * 9 = 72 MHz */ 


  RCC->CFGR &= (uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL);


  RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | 


          RCC_CFGR_PLLMULL9); 


#else  


  /*PLL configuration: PLLCLK = HSE * 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_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL16);


#endif /* STM32F10X_CL */






  /* 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


{ 


  /* 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;    


   /* 開啟HSI 即內(nèi)部晶振時(shí)鐘 */


  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 






  /*選擇HSI為PLL的時(shí)鐘源HSI必須2分頻給PLL*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 






         


  /*PLLCLK=8/2*13=52MHz 設(shè)置倍頻得到時(shí)鐘源PLL的頻率*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL16;






  /* PLL不分頻輸出*/


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


   


  /* 使能 PLL時(shí)鐘 */


  RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






  /* 等待PLL時(shí)鐘就緒*/


  while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


  {


  }










  /* 選擇PLL為系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源 */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;  






  /* 等到PLL成為系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源*/


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)


  {






  }


}


}

在STM32F030或者STM32F031中，同樣可以做類似操作：

static void SetSysClock(void)
{


__IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;





/* SYSCLK, HCLK, PCLK configuration ----------------------------------------*/


/* Enable HSE */ 






RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


  //修改為內(nèi)部晶振  


//  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 != HSE_STARTUP_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 and set Flash Latency */


  FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;


 


  /* HCLK = SYSCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


  


  /* PCLK = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






  /* PLL configuration = HSE * 6 = 48 MHz */


  RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));


  RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL7);


    


  /* 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)RCC_CFGR_SWS_PLL)


  {


  }


}


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 */


       // HSI 內(nèi)部時(shí)鐘做為PLL時(shí)鐘源并配置PLL 56M做為系統(tǒng)時(shí)鐘


  /* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */


  FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;






  /* HCLK = SYSCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;






  /* PCLK = HCLK */


  RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






  // PLL configuration = (HSI/2) * 12 = 48 MHz


  RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, RCC_PLLMul_14); // 8M/2 * 14 = 56M






  /* 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_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); // PLL 做系統(tǒng)時(shí)鐘






  /* Wait till PLL is used as system clock source */


  while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL)


  {


  }


}


}

在STM32F103中，使用內(nèi)部晶振，最大時(shí)鐘頻率也只能到64M，受倍頻因子的影響嘛，最大只能倍頻16倍。但在STM32F031中，標(biāo)準(zhǔn)使用內(nèi)部時(shí)鐘主頻只有48M，但是我們?nèi)匀豢梢岳^續(xù)倍頻，用內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行超頻達(dá)到64M。在我們的產(chǎn)品中就用過內(nèi)部超頻到56M，USART和SPI長(zhǎng)時(shí)間無問題。

而GD32E230因?yàn)槠涓哌_(dá)32的倍頻因子，內(nèi)部時(shí)鐘可以倍頻到128M。

但是，這種幾分鐘內(nèi)沒有明顯發(fā)熱現(xiàn)象，不敢做長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，現(xiàn)在MCU有點(diǎn)小貴。干費(fèi)一個(gè)就心疼。

總之，無論ST還是國(guó)產(chǎn)，其主頻更適合在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，但是跑極限在短時(shí)間內(nèi)也沒有很大的問題。這些數(shù)據(jù)僅供參考。

至此單片機(jī)時(shí)鐘講解就結(jié)束了，沒有多少理論性的東西，主要是解決一些時(shí)鐘使用時(shí)的問題，自己也總是忘，留帖一篇作為自省。

本文中所有代碼都經(jīng)過本人測(cè)試，運(yùn)行無任何問題，但是對(duì)于問題的闡述或者一些見解可能有錯(cuò)誤，歡迎大佬們批評(píng)指正，一定接受各種批評(píng)，努力完善！

審核編輯：李倩

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原文標(biāo)題：工程師歪解單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)，有點(diǎn)意思~

文章出處：【微信號(hào)：mcu168，微信公眾號(hào)：硬件攻城獅】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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