STM32H7教程第14章 STM32H7的电源，复位和时钟系统

Posted 2021-11-05 armfly

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第14章       STM32H7的电源，复位和时钟系统

本章教程继续为大家讲解学习STM32H7的必备知识点电源，复位和时钟系统。掌握这三方面的知识点对后面的学习大有裨益。

14.1 初学者重要提示

14.2 电源

14.3 硬件复位

14.4 软件复位

14.5 RCC时钟控制

14.6 总结

 

 

14.1 初学者重要提示

1、  电源管理部分涉及到的各种低功耗方式会在后面章节中为大家讲解，当前阶段仅需了解低功耗属于电源管理部分即可。

2、  电源管理部分最繁琐的就是CPU，D1，D2，D3域的各种运行，待机，停机状态切换，这部分知识点也放在后面低功耗章节学习。

14.2 电源

电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。

14.2.1 电源供电

学习STM32H7的电源供电，往往被一堆电源标识Vdd，Vdda，Vcap，Vss等搞迷糊，这些标识整明白了，电源供电部分也就理解了，首先看下面的框图：

 

这些常用标识的解释如下：

 

对于电源供电部分了解了这些知识点就够用。

14.2.2 系统上电启动

系统上电到程序开始运行期间，H7都做哪些工作，一张时序图可以说明问题：

 

对于上面的截图，主要看Operating mode部分，依次是Power down –> Reset -> Wait Oscillator ->HW system init -> Run -> Wait ACTVOS RDY –> Run，即断电状态 -> 复位状态 -> 等待HSI就绪->硬件初始化 -> 运行 -> 等ACTVOS位就绪 -> 正式运行。

详细些的执行流程如下：

•   当系统上电后，POR（Power on reset 上电复位）会检测V_DD供电，当V_DD大于POR设置的阀值时，将使能电压稳压器，注意看V_DD那条线的变化。
•   看V_CORE那条曲线，只要VOSRDY未就绪，就会一直处于复位状态。
•   一旦V_CORE正常输出，系统将走出复位状态，内部高速RC振荡器HSI将使能。
•   HSI稳定后，将开始系统初始化，主要是Flash和可选字节的加载，这些都是由硬件完成的，CPU也将以受限的方式运行（主要是指不允许对RAM进行写操作）。
•   软件程序初始化系统，包括供电配置。当供电配置完成后，等待ACTVOSRDY位置1，完成置1后，CPU就进入正常的运行的模式，允许读写RAM了。

14.2.3 电源管理

关于电源管理部分，H7参考手册中讲解的还挺复杂的，当前阶段我们仅需了解几个重要的工作状态即可，看到这几个单词了要认识，因为官方文档中多处要用这几个标识。

为了实现各种低功耗模式，CPU和D1，D2，D3域支持的各种模式如下：

•   CPU模式

CRun：运行状态，CPU和CPU子系统外设正常运行。

CSleep：休眠状态，CPU时钟停止运行，CPU子系统外设正常运行。

CStop：停止状态，CPU和CPU子系统外设都停止运行。

•   D1域模式

DRun：运行状态，D1域的总线矩阵正常运行，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。

DStop：停机状态，D1域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。

DStandby：待机状态，D1域的总线矩阵断电，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

•   D2域模式

DRun：运行状态，D2域的总线矩阵正常运行，CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CRun或者CSleep模式。

DStop：停机状态，D2域的总线矩阵时钟停止运行，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStop模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStop模式。

DStandby：待机状态，D2域的总线矩阵断电，CPU子系统没有在D2域分配外设，PDDS_D1位选择DStandby模式。或者CPU子系统在D2域中有分配的外设，CPU子系统运行在CStop模式，PDDS_D1位选择DStandby模式。

•   系统/D3域模式

Run：运行状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于运行状态。CPU子系统处于CRun和CSleep模式，或者一个唤醒信号处于激活状态。

Stop：停止状态，系统时钟和D3域总线矩阵时钟处于停止状态，CPU子系统处于CStop模式。所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且至少某个域的一个PDDS_Dn位选择了Stop模式。

Standby：待机状态，系统处于断电状态，CPU子系统处于CStop模式，所有的唤醒信号都处于非激活状态，并且所有域的所有PDDS_Dn位选择Standby模式。

14.2.4 电源去耦电容的选择

每个电源对 （VDD/VSS， VDDA/VSSA ...）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。 

 

14.3 硬件复位

所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟电路驱动的。这种电路被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。

所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。

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。

14.3.1 上电复位和手动复位

STM32H7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NRST为低电平时，CPU处于复位状态。
•   R173单的RC复位电路。当系统上电瞬间，C114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R173给C114充电，当C114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NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
•   当按下S4轻触开关时，C114两端被短路接地，可实现手动复位CPU。

 

注，根据需要，大家也可以使用STM32H7 NRST引脚的内部上拉：http://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=9314

14.3.2 复位序列

前面第11章的13.3.1小节讲解了复位系列的相关知识，再结合本章节的上电复位和下电复位，大家会对其有一个较全面的认识，更多复位序列的知识直接看13.3.1小节即可。

14.4 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_cm7.h文件提供，函数如下：

/**
  \\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：

 

14.5 RCC时钟控制

STM32H7有如下六种时钟可供使用：

•   HSI (High-speed internal oscillator) ：

HSI是内部的高速RC振荡器，频率64MHz，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4-48MHz。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。

•   CSI (Low-power internal oscillator)

CSI是内部的低速振荡器，频率约是4MHz，相比64MHz的HSI，主要用于低功耗。

•   HSI48 (High-speed 48 MHz internal oscillator)

HSI48是内部高速振荡器，频率约是48MHz，用于给特定的外设提供时钟，比如USB。

通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：

 

14.5.1 HSE和LSE硬件设计

•   HSE时钟

当前V7开发板是用的25MHz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H7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C15和C17，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。C15和C17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：当前V7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48MHz 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4-50MHz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V7开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：

 

STM32的LSE晶振起振难（又称RTC起振）是老毛病了，选取晶振和配套电容比较讲究，最好按照ST提供的厂家和配套电容选取：http://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=87673 。

14.5.2 时钟配置

STM32H7开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到400MHz的主频。

•   第1步：在stm32h7xx_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。

#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_stm32h743xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。

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：

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 |= RCC_CR_HSION;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON , CSION,RC48ON, CSIKERON PLL1ON, PLL2ON and PLL3ON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xEAF6ED7F;
23.    
24.      /* Reset D1CFGR register */
25.      RCC->D1CFGR = 0x00000000;
26.    
27.      /* Reset D2CFGR register */
28.      RCC->D2CFGR = 0x00000000;
29.    
30.      /* Reset D3CFGR register */
31.      RCC->D3CFGR = 0x00000000;
32.    
33.      /* Reset PLLCKSELR register */
34.      RCC->PLLCKSELR = 0x00000000;
35.    
36.      /* Reset PLLCFGR register */
37.      RCC->PLLCFGR = 0x00000000;
38.      /* Reset PLL1DIVR register */
39.      RCC->PLL1DIVR = 0x00000000;
40.      /* Reset PLL1FRACR register */
41.      RCC->PLL1FRACR = 0x00000000;
42.    
43.      /* Reset PLL2DIVR register */
44.      RCC->PLL2DIVR = 0x00000000;
45.    
46.      /* Reset PLL2FRACR register */
47.    
48.      RCC->PLL2FRACR = 0x00000000;
49.      /* Reset PLL3DIVR register */
50.      RCC->PLL3DIVR = 0x00000000;
51.    
52.      /* Reset PLL3FRACR register */
53.      RCC->PLL3FRACR = 0x00000000;
54.    
55.      /* Reset HSEBYP bit */
56.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
57.    
58.      /* Disable all interrupts */
59.      RCC->CIER = 0x00000000;
60.    
61.      /* Change  the switch matrix read issuing capability to 1 for the AXI SRAM target (Target 7) */
62.      *((__IO uint32_t*)0x51008108) = 0x00000001;
63.    
64.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
65.      SystemInit_ExtMemCtl();
66.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
67.    
68.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
69.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
70.      SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE  | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal ITCMSRAM */
71.    #else
72.      SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
73.    #endif
74.    
75.    }

第12行：使能FPU单元。

第16 – 59行：复位RCC相关寄存器。

第62行：这条语句在这里的作用涉及到STM32H7硬件版本Y的一个bug解决方案，详情可以看这个帖子：http://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=87346 。

第69 – 73行：设置中断向量表的位置。

 

•   第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到400MHz。

14.6 总结

本章节就为大家讲解这么多，本章节的知识点相对比较多，比较杂，不容易一下子都掌握了。随着后面章节的进行，还会深入的讲解这些知识点。