从STM32开始的RoboMaster生活：进阶篇 V [Clock Tree]

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从STM32开始的RoboMaster生活：进阶篇 V [Clock Tree]

1.0 什么是Clock Tree？

1.1 定义

时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。时钟系统就是CPU的心脏，决定CPU速率，像人的心跳一样 只有有了心跳，人才能做其他的事情，而单片机有了时钟，才能够运行执行指令，才能够做其他的处理 (点灯，串口，ADC)，时钟的重要性不言而喻。

STM32本身十分复杂，外设非常多  但我们实际使用的时候只会用到有限的几个外设，使用任何外设都需要时钟才能启动，但并不是所有的外设都需要系统时钟那么高的频率，为了兼容不同速度的设备，有些高速，有些低速，如果都用高速时钟，势必造成浪费   并且，同一个电路，时钟越快功耗越快，同时抗电磁干扰能力也就越弱，所以较为复杂的MCU都是采用多时钟源的方法来解决这些问题。所以便有了STM32的时钟系统和时钟树。

1. STM32时钟系统主要的目的就是给相对独立的外设模块提供时钟，也是为了降低整个芯片的耗能。
2. 系统时钟，是处理器运行时间基准（每一条机器指令一个时钟周期）
3. 时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。
4. 一个单片机内提供多个不同的系统时钟，可以适应更多的应用场合。
5. 不同的功能模块会有不同的时钟上限，因此提供不同的时钟，也能在一个单片机内放置更多的功能模块。
6. 对不同模块的时钟增加开启和关闭功能，可以降低单片机的功耗
7. STM32为了低功耗，他将所有的外设时钟都设置为disable(不使能)，用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以， 其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。  这就是为什么不管你配置什么功能都需要先打开对应的时钟的原因。

1.2 解析

先不要被吓到，我们慢慢来一条线一条线地梳理清楚。

除了时钟，有两个概念必须提前讲解

• Phase-Locked Loop ( PLL ) ：锁相环 的作用是整数倍地增高频率
• Prescaler：预分频器 的作用是整数倍地降低频率

在STM32F4系列中，有5个最重要的时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。其中PLL实际是分为三个时钟源，分别为主PLL和I2S部分专用PLLI2S和SAI部分专用PLLSAI。从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，在这5个中HSI，HSE以及PLL是高速时钟，LSI和LSE是低速时钟。从来源可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中HSE和LSE是外部时钟源，其他的是内部时钟源。

• ❶ LSI：Low Speed Internal 低速内部时钟，RC振荡器，频率为32kHz左右，供独立看门狗和自动唤醒单元使用
• ❷ LSE：Low Speed External 低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体，这个主要是RTC的时钟源
• ❸ HSE：High Speed External 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，HSE也可以直接做为系统时钟或者PLL输入
• ❹ HSI：High Speed Internal 高速内部时钟，RC振荡器，频率为16MHz，可以直接作为系统时钟或者用作PLL输入
• ❺ PLL：Phase-Locked Loop 锁相环倍频输出，STM32F4有三个PLL
  1. 主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
• A 看门狗时钟：看门狗时钟源只能是低速的 LSI 时钟
• B RTC时钟源：RTC的时钟源可以选择LSI，LSE，以及HSE分频后的时钟，HSE 分频系数为2\~31
• C MCO1 MCO2输出时钟：MCO1是向芯片的PA8引脚输出时钟，它有四个时钟来源分别为：HSI，LSE，HSE，和PLL时钟；MCO2是向芯片的PC9输出时钟，它同样有四个时钟来源分别为：HSE，PLL，SYSCLK以及PLLI2S时钟；MCO输出时钟频率最大不超过100MHz
• D 系统时钟：SYSCLK系统时钟来源有三个方面：HSI，HSE，和PLL，在我们实际应用中，因为对时钟速度要求都比较高我们才会选用STM32F4这种高性能处理器，所以一般情况下，都是采用PLL作为SYSCLK时钟源
• E 以太网PTP时钟 AHB时钟 APB2高速时钟 APB1低速时钟：这些时钟都是来源于 SYSCLK系统时钟，其中以太网PTP时钟是使用系统时钟，AHB，APB2，和APB1时钟是经过SYSCLK时钟分频得来，这里大家记住，AHB最大时钟为168MHz，APB2高速时钟最大频率为84MHz，而APB1低速时钟最大频率为42MHz
• F PLLI2S_R时钟：可以作为I2S时钟源
• G PLLI2S_Q时钟：可以作为SAI1_A和SAI1_B时钟来源
• H PLLSAI_Q时钟：可以作为SAI1_A和SAI1_B时钟来源
• I PLLSAI_R时钟：LCD-TFT ( LTDC ) 接口时钟唯一来源
• J 以太网MAC时钟：对于MII接口来说，必须向外部PHY芯片提供25Mhz的时钟，这个时钟，可以由PHY芯片外接晶振，或者使用STM32F4的MCO输出来提供，然后，PHY芯片再给STM32F4提供ETH_MII_TX_CLK和ETH_MII_RX_CLK时钟，对于RMII 接口来说，外部必须提供50Mhz的时钟驱动PHY和STM32F4的 ETH_RMII_REF_CLK，这个 50Mhz时钟可以来自 PHY，有源晶振，或者STM32F4的MCO
• K USB OTG HS时钟：指外部PHY提供的USB OTG HS ( 60MHZ ) 时钟

2.0 如何配置Clock Tree？

• 配置方式
  • STM32CubeMX静态调控
  • 函数动态调控（RM暂时用不上，这部分不讲解）
• STM32CubeMX
  • PLL Source Mux选择HSE，因为HSE比HSI的精确性和最大频率高得多
  • System Clock Mux选择PLLCLK，因为即便选择HSE，频率依然不足，而PLLCLK可以成倍增加频率
  • 最后，在Ethernet PTP clock那里，输入168，回车，STM32CubeMX会自动配置剩下的东西，到这一步，iRM2018的Clock Tree就已经配置完成了！

如果你成功了，将会看到下面这个配置

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如果诸位看官喜欢的话，想让这个系列继续下去的话，就请在下方留言吧～

我很好奇支持Arduino IDE编程STM32和普通的STM32有没有区别，没区别的话可以省去很多时间啊

帅猫 发表于 2020-3-19 21:44
我很好奇支持Arduino IDE编程STM32和普通的STM32有没有区别，没区别的话可以省去很多时间啊 ...

其实道理很简单，还是拿入门篇的那个例子，“请问建造帝国大厦，是用乐高？还是钢筋水泥？”。而用Arduino IDE来开发STM32，的确似乎是既能坐拥STM32的高性能，又能像开发Arduino一样简单。但是，其实，实际上，是两个都没有届到（届不到的爱恋～～（X））。真实情况是，只不过是把制作乐高的材料从塑料变成了水泥，强度是提高了，似乎离帝国大厦进了一步。但是，阻碍用乐高的方式（Arduino IDE）建造帝国大厦的，不是乐高的材料，就算用振金做，你也建不成帝国大厦。因为，究其根本原因，是因为乐高这种建造模式根本简化了太多的细节，导致了“失真效应”。你想想，乐高造大厦会考虑防火吗？能铺电线吗？隔音呢？反地震呢？反雷击呢？采光呢？老化呢？环保呢？透气呢？更精细的双电梯设计呢？可以说，就是因为乐高简化了考虑的细节，所以高效，但也正是因为如此，所以没用。细节不仅仅决定成败，在工程领域更是精湛技艺和独到匠心的体现，很多时候是必须且必要的。Arduino为了迎合电子爱好者，决定抛弃细节，就决定了其绝对无法进入工程领域的身份。但是，换个角度，说白了，如果本身就只是电子爱好者，Arduino就是最佳选择，而工程师，是没法选则Arduino，不是因为我们不想，谁都想简单点，但是Arduino就是无论如何都没法达到我们想要的效果。我拿个实际的例子，做六足恐怖机器人的时候，我就发现，Arduino虽然可以我自己设计手写个中断程序，但是一旦需要中断的程序多了，就需要分优先级，就需要多线程，就需要像FreeRTOS这样的实时操作系统，像这种操作，反倒STM32实现起来非常简单，而Arduino做起来非常难搞。

帅猫 发表于 2020-3-19 21:44
我很好奇支持Arduino IDE编程STM32和普通的STM32有没有区别，没区别的话可以省去很多时间啊 ...

简单来说，借用Linux领域非常著名的一句话：若无力驾驭，自由便是负担。反过来说，只有有能力驾驭的人，才配也才能拥有自由。用过STM32就知道，Arduino才是工程师的枷锁，很多复杂的东西都做不到，STM32才是自由。正因为复杂，所以才自由，正因为自由，所以才复杂。从古至今，无论是工程领域，还是对于人类本身来说，真正的自由从来都不是简单的享乐的东西，而是常人所难以容忍的负担与责任，甚至是苦难。这就是世间唯一永恒不变的真理，过去是这样，现在是这样，未来也一定是这样的唯一真理。

帅猫 发表于 2020-3-19 21:44
我很好奇支持Arduino IDE编程STM32和普通的STM32有没有区别，没区别的话可以省去很多时间啊 ...

从Windows到Linux，从Lego到钢筋水泥，从Arduino到STM32。一代又一代工程师，无论是网络工程师与软件工程师（和黑客），建筑工程师，还是计算机工程师，都做出了同样的选择。甚至在以上都不好用的情况下，自己从零设计新的轮子。可以说人类的进步，科技的进步，都是在这种对真正自由的追求与赫拉克勒斯的十二试炼般的苦难中，一步一步走出来的。

帅猫 发表于 2020-3-19 21:44
我很好奇支持Arduino IDE编程STM32和普通的STM32有没有区别，没区别的话可以省去很多时间啊 ...

如果大部分的人还是愿意在熟练掌握了Arduino后依然不愿意接受STM32，或者投机取巧，用Arduino IDE开发STM32这种即没Arduino便利，又限制STM32潜力的方式开发。那我只能说：世界上有很多生活方式，我只是选择了自由。

顶了