STM32（4）——系统时钟和SysTick

1、STM32的时钟系统

       在STM32中，一共有5个时钟源，分别是HSI、HSE、LSI、LSE、PLL

1. HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz；
2. HSE是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围是4MHz – 16MHz；
3. LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40KHz；
4. LSE是低速外部时钟，接频率为32.768KHz的石英晶体；
5. PLL为锁相环倍频输出，严格的来说并不算一个独立的时钟源，PLL的输入可以接HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2 – 16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz。

       其中，40kHz的 LSI 供独立看门狗 IWDG 使用，另外它还可以被选择为实时时钟 RTC 的时钟源。另外，实时时钟 RTC 的时钟源还可以选择LSE，或者是 HSE 的128分频。

       STM32中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。该时钟源只能从PLL端获取，可以选择为1.5分频或者1分频，也就是，当需使用到USB模块时，PLL必须使能，并且时钟配置为48MHz或72MHz

       另外STM32还可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA.8)上，可以选择为PLL输出的2分频、HSI、HSE或者系统时钟。

       系统时钟SYSCLK，它是提供STM32中绝大部分部件工作的时钟源。系统时钟可以选择为PLL输出、HSI、HSE。系系统时钟最大频率为72MHz，它通过AHB分频器分频后送给各个模块使用，AHB分频器可以选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频，其分频器输出的时钟送给5大模块使用：

1. 送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟；
2. 通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟；
3. 直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK；
4. 送给APB1分频器。APB1分频器可以选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB1外设使用（PCLK1，最大频率36MHz），另一路送给定时器(Timer)2、3、4倍频器使用。该倍频器可以选择1或者2倍频，时钟输出供定时器2、3、4使用。
5. 送给APB2分频器。APB2分频器可以选择1、2、4、8、16分频，其输出一路供APB2外设使用（PCLK2，最大频率72MHz），另外一路送给定时器(Timer)1倍频使用。该倍频器可以选择1或2倍频，时钟输出供定时器1使用。另外APB2分频器还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。

       需要注意的是定时器的倍频器，当APB的分频为1时，它的倍频值为1，否则它的倍频值为2。

       连接在APB1(低速外设)上的设备有：电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3、SPI2、窗口看门狗、Timer2、Timer3、Timer4。注意USB模块虽然需要一个单独的48MHz的时钟信号，但是它应该不是供USB模块工作的时钟，而只是提供给串行接口引擎(SIE)使用的时钟。USB模块的工作时钟应该是由APB1提供的。

       连接在APB2（高速外设）上的设备有：UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、GPIOx(PA~PE)、第二功能IO口。

      时钟分频原理讲解

2、STM32时钟的初始化

      由于我现在所用的开发板已经外接了一个8MHz的晶振，因此将采用HSE时钟，在MDK编译平台中，程序的时钟设置参数流程如下：

1. 将RCC寄存器重新设置为默认值：RCC_DeInit;
2. 打开外部高速时钟晶振HSE：        RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
3. 等待外部高速时钟晶振工作：         HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
4. 设置AHB时钟(HCLK)：                  RCC_HCLKConfig;
5. 设置高速AHB时钟(APB2)：           RCC_PCLK2Config;
6. 设置低速AHB时钟(APB1)：           RCC_PCLK1Config;
7. 设置PLL：                                      RCC_PLLConfig;
8. 打开PLL：                                      RCC_PLLCmd(ENABLE);
9.  等待PLL工作：                              while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
10. 设置系统时钟：                              RCC_SYSCLKConfig;
11. 判断PLL是否是系统时钟：             while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
12. 打开要使用的外设时钟：                RCC_APB2PerphClockCmd()….

3、SysTick定时器

        NVIC中，捆绑着一个SysTick定时器，它是一个24位的倒数计数定时器，当计到0时，将从RELOAD寄存器中自动重装载定时初值并继续计数，同时内部的 COUNTFLAG 标志会置位，触发中断 (如果中断使能情况下)。只要不把它在SysTick控制及状态寄存器中的使能位清除，就用不停息。Cortex-M3允许为SysTick提供2个时钟源以供选择，第一个是内核的“自由运行时钟”FCLK，“自由”表现在它不是来自系统时钟HCLK，因此在系统时钟停止时，FCLK也能继续运行。第二个是一个外部的参考时钟，但是使用外部时钟时，因为它在内部是通过FCLK来采样的，因此其周期必须至少是FCLK的两倍（采样定理）。

      下面介绍一下STM32中的SysTick，它属于NVIC控制部分，一共有4个寄存器：

• STK_CSR，         0xE000E010：             控制寄存器
• STK_LOAD，       0xE000E014：             重载寄存器
• STK_VAL，          0xE000E018：             当前值寄存器
• STK_CALRB，     0xE000E01C：             校准值寄存器

      首先看STK_CSR控制寄存器，有4个bit具有意义：

• 第0位：ENABLE，SysTick使能位（0：关闭SysTick功能，1：开启SysTick功能）；
• 第1位：TICKINT，SysTick中断使能位（0：关闭SysTick中断，1：开启SysTick中断）；
• 第2位：CLKSOURCE，SysTick时钟选择（0：使用HCLK/8作为时钟源，1：使用HCLK）；
• 第3为：COUNTFLAG，SysTick计数比较标志，如果在上次读取本寄存器后，SysTick已经数到0了，则该位为1，如果读取该位，该位自动清零。

       STK_LOAD重载寄存器：

• Systick是一个递减的定时器，当定时器递减至0时，重载寄存器中的值就会被重装载，继续开始递减。STK_LOAD  重载寄存器是个24位的寄存器最大计数0xFFFFFF。

       STK_VAL当前值寄存器：

• 也是个24位的寄存器，读取时返回当前倒计数的值，写它则使之清零，同时还会清除在SysTick 控制及状态寄存器中的COUNTFLAG 标志。

      STK_CALRB校准值寄存器：

• 其中包含着一个TENMS位段，具体信息不详。暂时用不到。

在MDK开发环境中，我们不必要非得去操作每一个寄存器，可以通过调用ST函数库中的函数来进行相关的操作，其步骤如下：

（1）       调用SysTick_CounterCmd()                 失能SysTick计数器

（2）       调用SysTick_ITConfig()                      失能SysTick中断

（3）       调用SysTick_CLKSourceConfig()        设置SysTick时钟源

（4）       调用SysTick_SetReload()                    设置SysTick重装载值

（5）       调用NVIC_SystemHandlerPriorityConfig()         设置SysTick定时器中断优先级

（6）       调用SysTick_ITConfig()                      使能SysTick中断

（7）       在stm32f10x_it.c中SysTickHandler()下写中断服务函数。

（8）       在需要的时候调用SysTick_CounterCmd()          开启SysTick计数器 

4、工程实现

       根据以上描述，准备利用开发板上的LED灯做一个小实验，将第一个跑马灯的实验稍微改进一下，以1s精确延时的状态来顺序点亮LED灯，采用的定时器就是SysTick。

       设计思路是先配置好系统的各个参数，然后设置SysTick定时器每1ms就进入一次中断，再定义一个全局变量作为定时长短的参数，然后将从延时函数中得到的参数赋值给这个全局变量，每进入一次中断，这个全局变量就减一次，直到减为0，才跳出延时函数。

1、配置系统时钟

void RCC_cfg()

{
       //定义错误状态变量
       ErrorStatus HSEStartUpStatus;     

       //将RCC寄存器重新设置为默认值
       RCC_DeInit();
 
       //打开外部高速时钟晶振
       RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

       //等待外部高速时钟晶振工作
       HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
       if(HSEStartUpStatus == SUCCESS)
       {

              //设置AHB时钟(HCLK)为系统时钟
              RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); 

              //设置高速AHB时钟(APB2)为HCLK时钟
              RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);

              //设置低速AHB时钟(APB1)为HCLK的2分频
              RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);
             
              //设置FLASH代码延时
              FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); 

              //使能预取指缓存
              FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);

              //设置PLL时钟，为HSE的9倍频 8MHz * 9 = 72MHz
              RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);
 
              //使能PLL
              RCC_PLLCmd(ENABLE); 

              //等待PLL准备就绪
              while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);
 
              //设置PLL为系统时钟源
              RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
 
              //判断PLL是否是系统时钟
              while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);
       }
 
       //打开PB和PD用于点亮LED灯
       RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);

}

    其中使用到了NVIC的函数，需要将stm32f10xR.lib加入到工程中。

2、配置SysTick定时器

void SysTick_cfg()

{
       //设置失能SysTick定时器
       SysTick_CounterCmd(SysTick_Counter_Disable);

       //设置失能SysTick中断
       SysTick_ITConfig(DISABLE);

       //设置SysTick的时钟源为AHB时钟
       SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); 

       //设置重装载值，由于SysTick是AHB时钟，即72MHz，所以重装载值设置为72000，即每1ms重新装载一次
       SysTick_SetReload(72000);

       //设置SysTick定时器中断优先级
       NVIC_SystemHandlerPriorityConfig(SystemHandler_SysTick, 1, 0);

       //设置使能SysTick中断
       SysTick_ITConfig(ENABLE);
}

3、 编写延时函数

void Delay(u32 nTime)

{
       TimingDelay = nTime;
 
       //允许SysTick定时器
       SysTick_CounterCmd(SysTick_Counter_Enable);

       //循环等待定时时间到
       while(TimingDelay != 0);

       //禁止SysTick定时器
       SysTick_CounterCmd(SysTick_Counter_Disable);

       //清空SysTick定时器
       SysTick_CounterCmd(SysTick_Counter_Clear);

}　　

4、设置通用IO口

void GPIO_cfg()

{
       GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;                                         //定义GPIO宏操作结构体

       GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;                               

       GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;               //将B5口配置为通用推挽输出

       GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;           //口线翻转速度为50MHz

       GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                                  //配置GPIOB口

       GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_3;            //将D3和D6口配置为推挽输出

       GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);                                    //配置GPIOD口

}

5、中断服务函数

void SysTickHandler(void)

{

       TimingDelay--;

}　　

其中TimingDelay这个全局变量在使用的时候需要在stm32f10x_it.c中进行一下声明，要不然不能使用，其声明语句是：

extern vu32 TimingDelay;

在延时程序中一直检测TimingDelay这个全局变量，只有当其减为0的时候，才跳出延时函数。

6、主程序

#include "stm32f10x.h"

vu32 TimingDelay;

void RCC_cfg();

void SysTick_cfg();

void Delay(u32 nTime);

void GPIO_cfg();

int main()

{

       RCC_cfg();                   //配置RCC时钟

       SysTick_cfg();              //配置SysTick定时器

       GPIO_cfg();                 //配置通用IO口

       while(1)

       {

              GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

              GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

              GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);
           
              Delay(1000);         //延时1s            

              GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

              GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

              GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);            

              Delay(1000);                           

              GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);                            

              GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);                     

              GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);                  

              Delay(1000);                                    
       }             
}

    在延时函数Delay的参数中，可以填入任意的32bits的整数，延时单位是ms。

大部分参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_49cb42490100s60d.html