STM32H7时钟树RCC分析---原理讲解

Posted Z小旋

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了STM32H7时钟树RCC分析---原理讲解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

STM32 有很多系列，可以满足市场的各种需求，从内核上分有 Cortex-M0、M3、M4和 M7 这几种，每个内核又大概分为主流、高性能和低功耗。

用HAL库配置请看：STM32H7时钟树分析— HAL库配置(二)

F1 代表了基础型，基于Cortex-M3 内核，主频为 72MHZ，F4 代表了高性能，基于 Cortex-M4 内核，主频 180M，F7 代表了高性能，基于 Cortex-M7 内核，主频 216M。H7 代表了超高性能，基于 Cortex-M7 内核，主频400M

我们今天说的就STM32H7超高性能系列的这个MCU

如果您是初学者的话，建议先看下这篇，会对时钟树有一个基本的认识
【STM32】系统时钟RCC详解(超详细，超全面)

首先我们来看下H7的时钟树，乍一看很大，比F1多了太多东西，那我们仔细看，发现也还是很多，别担心，那么接下来我将带你了解下整体的时钟树原理以及各个模块的分析。

因为整体框图太大，所以我们把他分成几部分来分析，首先看下外部输入的时钟源：

外部时钟源

STM32H7共有6个外部时钟源,分别是：

  • HSI（高速内部振荡器）时钟：~ 8 MHz、16 MHz、32 MHz 或 64 MHz
  • HSE（高速外部振荡器）时钟：4 MHz 到 48 MHz
  • LSE（低速外部振荡器）时钟：32 kHz
  • LSI（低速内部振荡器）时钟：~ 32 kHz
  • CSI（低功耗内部振荡器）时钟：~ 4 MHz
  • HSI48 （高速 48 MHz 内部振荡器）时钟：~48 MHz

LSI

LSI 属于 STM32H7 内部低速时钟源，频率约为 32Khz。

  • LSI 可作为低功耗时钟源保持运行，供独立看门狗 (IWDG) 和 RTC时钟/自动唤醒单元 (AWU) 使用

LSE

LSE 则是外部低速时钟源，常用为 32.768Khz（使用 32.768Khz 晶振或陶瓷谐振器生成）

  • 可作为实时时钟 (RTC) 的时钟源来提供时 钟/日历或其他定时功能，具有功耗低且精度高的优点

HSE

HSE 是外部高速时钟，正常我们都用HSE来作为系统时钟输入，常用25Mhz的外部晶振。

  • 系统进入停止或待机模式时，HSE 会自动由硬件禁止
  • HSE 时钟可被驱动到 MCO1 和 MCO2 输出，以及用作其他应用组件的时钟源

HSI

HSI 是内部高速时钟，频率为 64Mhz；

  • 可直接用作系统时钟、外设时钟或 PLL 输入
  • 可使用 HSIDIV预 分频器来选择 8 MHz、16 MHz、32 MHz 或 64 MHz 的 HSI 输出频率

CSI

CSI 是低功耗内部时钟，频率为 4Mhz；

  • 可直接用作系统时钟、外设时钟或 PLL 输入
  • CSI的频率极低，即使经过频率校准后，CSI 频率也不如外部晶振或陶瓷谐振器的频率精度高，其优点就是功耗低。

CSS (Clock security system)

时钟安全系统，也就是监控系统，H7的HSE和LSE两个外部时钟源带有安全监控，一旦使能后，如果 HSE 或LSE启动失败，系统时钟将切换到 HSI。如果使能了中断的话，将进入不可屏蔽中断 NMI。

HSI48

HSI48 是内部高精度时钟源，频率为 48Mhz；

  • 其提供的 48 MHz 时钟可直接用作某些外设的内核时钟
  • 主要用于通过特殊时钟恢复系统 (CRS) 电路为 USB 外设的时钟源使用

好的，通过上述的介绍，你应该明白了H7的几大时钟源，那么这些时钟源后续要被用在哪里，我们再来分析

IWDG， RTC，AWU

上半部紫罗兰色框的部分，就是独立看门狗 (IWDG) 和 RTC时钟/自动唤醒单元 (AWU)

  • 独立看门狗 (IWDG)只能由LSI 提供

  • RTC和AWU可以由LSE LSE 和 HSE的1M分频来作为时钟源

锁相环PLL

PLL(Phase Locked Loop)： 为锁相回路或锁相环。总体上起到晶振频率倍频的作用，为系统高速率运行提高必要条件。

VCO(voltage-controlled oscillator)：压控振荡器，是PLL 里的一个构成部件

STM32H7一共有三个PLL锁相环：

  • 一个主 PLL (PLL1)，通常用于为 CPU 和某些外设提供时钟。
  • 两个专用 PLL（PLL2 和 PLL3），用于为外设生成内核时钟。

PLL的输入时钟源为refx_ck，并且为 PLL 提供的参考时钟的频率 (refx_ck) 必须介于 1 MHz 到 16 MHz 范围内

其中HSI CSI HSE三个时钟源可以作为输入，然后经过PLL时钟源选择器PLLSRC，该选择器主要选择使用哪一个振荡器作为时钟源，再经过DIVMx分频得到1 MHz 到 16 MHz 的时钟频率,我们一般选择 PLL 时钟源来自 hse_ck，一般为 25Mhz

DIVMx:PLLx时钟源预分频器，用于对PLLSRC选择的时钟源进行分频，取值范围是：2~63

PLL1

PLL1 锁相环，该 PLL 主要用到两路输出：pll1_p_ck 和 pll1_q_ck，其中：pll1_p_ck一般用于 sys_ck 系统时钟的时钟源，最终作为 CPU、SysTick、AXI、AHB1~4 和 APB1~4 等的时钟源；而 pll1_q_ck 则可以通过 PKSU 选择作为部分外设的内核时钟（perx_ker_ck），如 FMC、QSPI、SDMMC1/2 等，至于图中的 pll1_r_ck，并没有用到。

  • DIVN1 是主 PLL1 vco 的倍频系数，其取值范围是：4~512；
  • DIVP1 是 PLL1 的 P 分 频，用于得到 pll1_p_ck 的频率，其取值范围是：2、4、6…128（必须是偶数）；
  • DIVQ1 是 PLL1的 Q 分频，其取值范围是：1~128；
  • DIVR1 则没有用到；
  • FRACN1 是分数倍频系数，它和 DIVN1一起组成 PLL1 的倍频系数，但是我们一般并不需要用到分数倍频

这里以 pll1_p_ck为例，简单介绍下 PLL 输出频率的计算公式（时钟 PLL 输入频率为 hse_ck）：


假设外部晶振为 25Mhz，我们需要得到 400Mhz 的 pll1_p_ck 频率来作为系统时钟，则可以设置：DIVM1=5，DIVN1=160，DIVP1=2 即可

PLL2和PLL3跟PLL1类似，这里我们不再赘述。

系统时钟

系统复位后，会自动将 HSI 选作系统时钟，并且所有 PLL 均将关闭。 ，也就是每次系统复位，都会用HSI作为系统时钟，当系统稳定后，可以配置好 PLL1 ，将系统时钟可以切换为 plll1_q_ck（400Mhz），以得到最高性能

当时钟源用于系统时钟时，软件无法关闭所选时钟源，也就是系统时钟软件无法禁止

  • SCGU（System Clock Generation Unit，系统时钟生成单元），用于将 sys_ck 分成各种
    时钟频率，比如：CPU 频率、SysTick、AXI、AHB1~4 和 APB1~4 等。
  • SCEU（System Clock Eable Unit，系统时钟使能单元），用于使能各个外设、总线等的时钟，是一个时钟开关。

下面我们来对系统时钟的生成做一个详细的介绍：

上图主要列出了 STM32H743 系统时钟的生成原理，包括 CPU 时钟、SysTick 时钟、AXI时钟、AHB1~4 和 APB1~4 等，这些时钟对整个系统运行来说非常重要，图中，D1、D2 和 D3 域是 ST 为了支持动态能效管理，所设计的 3 个独立的电源域，每个域都能独立开启/关闭。系统时钟由 SCGU 产生，然后经过 SCEU 做开关，最终输出到各个时钟域（D1、D2 和 D3），从而能够控制和访问各类外设，保证系统的正常运行。

  1. SCGU 输入时钟（sys_ck），该时钟我们一般选择来自 pll1_p_ck，频率为 400Mhz
  2. DICPRE:sys_d1cpre_ck 时钟的分频系数，取值范围为 1~512，通过 RCC_ D1CFGR 寄存器的D1CPRE[3:0]位设置，我们一般设置为 1 分频，以得到最高的 sys_d1cpre_ck 频率，400Mhz
  3. 经过HPRE分频后给AXI时钟等外设使用，注意这里最高频率为200Mhz，也就是大部分外设的最高频率为200Mhz，所以sys_ck为400Mhz时，HPRE最少为2分频。
  4. 给HRTIM做时钟使用，频率可达400Mhz
  5. CPU 时钟（rcc_c_ck、rcc_fclk_c），CPU 时钟是直接来自 sys_d1cpre_ck，没有分频器，频率为 400Mhz
  6. SysTick 时钟分频器（固定 8 分频），这个在图中是有错误的，实际上这个分频器是没有的（硬件 bug），因此 SysTick 的时钟频率，直接来自 sys_d1cpre_ck，频率为 400Mhz系统时钟
  7. 使能单元（SCEU），它能够对 D1、D2 和 D3 域内的所有外设时钟进行开/关控制，所以在使用外设的时候，必须设置 SCEU，使能其时钟，否则外设无法使用，也就是配置各个外设时钟的使能ENR
  8. D1 域，是高性能域，主要为CPU时钟和AXI外设，AHB3外设
  9. D2 域，通信接口域，主要进行数据通信工作，减轻 CPU 的负担。此域包括：AHB1、AHB2、APB1 和 APB2 等时钟部分。
  10. D3 域，数据批处理域，此域包括 AHB4 和 APB4 等时钟部分

MOC1/MOC2

两个时钟输出 (MCO) 引脚可供使用，分别为 MCO1 和 MCO2。可以为每个输出选择一个时钟源。

  • GPIO 端口必须在复用功能模式下使用MCO。
  • MCO 输出提供的时钟频率不能超出最大引脚速度
  • MCO1 可以在 PA8 引脚输出
  • MCO2 可以在 PC9 引脚输出

PKSU/PKEU

SCEU :用于控制外设的访问时钟（访问寄存器）
PKEU: 用于控制外设的内核时钟（生成控制时序，如波特率等）

并不是所有的外设都需要用到 PKEU，因为有些外设并不需要生成时序，没有所谓的外设内核时钟，比如 DMA、OPAMP 等，这些外设只需要在SCEU 进行使能即可

下图是详细的外设时钟使能框图

上半部分的SCGU跟SCEU已经讲过，这里我们只说下下半部分：

  • 外设内核时钟选择单元（PKSU，即：Peripheral Kernel clock Selection Unit），用于选
    择某个外设的内核时钟来源，具体的选择关系。
  • 外设内核时钟使能单元（PKEU,即：Peripheral Kernel clock Enable Unit），此部分将PKSU
    处选择的外设内核时钟进行使能/禁止操作，最终控制是否输出内核时钟（rcc_perx_ker_ck）给外设。
  • 内核控制逻辑（Kernel Control Logic），用于控制 PKEU 是否输出内核时钟给外设，它有很多控制信号，其中我们常用的是 PERxEN，通过这个位的设置就可以控制具体外设内核时钟的开/关。
  • 外设内核时钟（rcc_perx_ker_ck），该时钟用于驱动外设产生时序，如波特率、时钟脉冲等。大部分外设都需要用到 rcc_perx_ker_ck，比如串口、SPI、IIC、FMC、SAI、LTDC 和CAN 等。

这里推荐一张STM32H7 的数据手册里面非常棒的框图（在数据手册里面检索 Figure 1 就可以找到），可以对H7的整体架构有一个直观的了解，可以看到每个外设所挂的总线，和各个总线的最大时钟频率。

AHB (Advanced High-performance Bus) 高级高性能总线
APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外围总线
AXI (Advanced eXtensible Interface) 高级可拓展接口

AHB主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。

APB主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB或ASB的二级拓展总线。

AXI：高速度、高带宽，管道化互联，单向通道，只需要首地址，读写并行，支持乱序，支持非对齐操作，有效支持初始延迟较高的外设，连线非常多。

这些内容加起来就定义出一套为了高性能SoC而设计的片上通信的标准。


比如你可以看到SYSCLK(Hz) = 400MHz (CPU Clock) 也就知道上述CPU框图初的错误

可以看到CPU外挂了一个 64bit的 AXI BUS 还有一个32bit的 AHB BUS

FLASH FMC QSPI 这些都是在AXI总线上的
常用的 TIM UART SPI IIC挂在AHB总线上

64位的AXI总线又分出了一个32位的 AHB4 等等

右下角的是时钟的框图，可以看到RTC时钟 看门狗时钟

可以看到HSE的时钟是4-48Mhz 然后给APB4总线外挂 经过三个PLL锁相环 再做外部输出

再比如200Mhz的AHB4经过分频生成了APB4最高位100Mhz

  • APB1 定时器有 TIM2, TIM3 ,TIM4, TIM5, TIM6, TIM7, TIM12, TIM13, TIM14，LPTIM1
  • APB2 定时器有 TIM1, TIM8 , TIM15, TIM16，TIM17
  • APB3 上有 LCD-TFT FIFO
  • APB4 定时器有 LPTIM2，LPTIM3，LPTIM4，LPTIM5

还有下面的总线系统框架

可以很清楚的看到外设共分为三个域：D1 Domain，D2 Domain 和 D3 Domain。
◆ D1 Domain
D1 域中的各个外设是挂在 64 位 AXI 总线组成 6*7 的矩阵上。

6 个从接口端 ASIB1 到 ASIB6

  • 外接的主控是 LTDC，DMA2D，MDMA，SDMMC1，AXIM 和 D2-to-D1 AHB 总线。

7 个主接口端 AMIB1 到 AMIB7

  • 外接的从设备是 AHB3 总线，Flash A，Flash B，FMC 总线，QSPI 和 AXI SRAM。
  • AHB3也是由 AXI 总线分支出来的，然后再由 AHB3 分支出 APB3 总线。

◆ D2 Domain
D2 域的各个外设是挂在 32 位 AHB 总线组成 10*9 的矩阵上。

  • 10 个从接口外接的主控是 D1-to-D2 AHB 总线，AHBP 总线，DMA1，DMA2，Ethernet MAC，SDMMC2，USB HS1 和 USB HS2。

  • 9 个主接口外接的从设备是 SRAM1，SRMA2，SRAM3，AHB1，AHB2，APB1，APB2，D2-to-D1 AHB总线和 D2-to-D3 AHB 总线。

◆ D3 Domain

D3 域的各个外设是挂在 32 位 AHB 总线组成 3*2 的矩阵上。

  • 3 个从接口外接的主控 D1-to-D3 AHB 总线，D2-to-D3 AHB 总线和 BDMA。
  • 2 个主接口外接的从设备是 AHB4，SRAM4 和 Bckp SRAM。另外 AHB4 也是这个总线矩阵分支出来的，然后再由 AHB4 分支出 APB4 总线。

用HAL库配置请看：STM32H7时钟树分析— HAL库配置(二)

以上是关于STM32H7时钟树RCC分析---原理讲解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

STM32H7时钟树RCC分析--- CubeMx配置

STM32H7时钟树RCC分析--- CubeMx配置

STM32H7时钟树RCC分析--- HAL库配置

STM32H7时钟树RCC分析--- HAL库配置

STM32H7教程第14章 STM32H7的电源，复位和时钟系统

STM32的时钟树深入详解以及RCC配置