STM32学习之总线与时钟
前言
上一篇博客復(fù)習(xí)了C語言，這一篇博客主要是學(xué)習(xí)STM32F407中的總線與時鐘，這一部分對計算機組成原理的知識有一定的要求，
這一部分極其枯燥，但是十分重要，望仔細學(xué)習(xí)
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總線
總線
STM32F4 的總線架構(gòu)比 51 單片機就要強大很多了。
STM32F4 總線架構(gòu)的知識可以在《STM32F4XX 中文參考手冊》第二章有講解，這里我們也把這一部分知識抽取出來講解，是為了大家在學(xué)習(xí) STM32F4 之前對系統(tǒng)架構(gòu)有一個初步的了解。
這里的內(nèi)容基本也是從中文參考手冊中參考過來的，讓大家能通過我們手冊也了解到，免除了到處找資料的麻煩吧。
如果需要詳細深入的了解 STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)，還需要多看看《STM32F4XX 中文參考手冊》或者在網(wǎng)上搜索其他相關(guān)資料學(xué)習(xí)。
我們這里所講的 STM32F4 系統(tǒng)架構(gòu)主要針對的 STM32F407 系列芯片。
架構(gòu)圖
首先我們看看STM32 的總線架構(gòu)圖：
主系統(tǒng)由 32 位多層 AHB 總線矩陣構(gòu)成。
總線矩陣用于主控總線之間的訪問仲裁管理。仲裁采取循環(huán)調(diào)度算法。總線矩陣可實現(xiàn)以下部分互聯(lián)：
八條主控總線是：
- Cortex-M4 內(nèi)核 I 總線, D 總線和 S 總線;
- DMA1 存儲器總線, DMA2 存儲器總線;
- DMA2 外設(shè)總線;
- 以太網(wǎng) DMA 總線;
- USB OTG HS DMA 總線;
七條被控總線： - 內(nèi)部 FLASH ICode 總線;
- 內(nèi)部 FLASH DCode 總線;
- 主要內(nèi)部 SRAM1(112KB)
- 輔助內(nèi)部 SRAM2(16KB);
- 輔助內(nèi)部 SRAM3(64KB) (僅適用 STM32F42xx 和 STM32F43xx 系列器件);
- AHB1 外設(shè) 和 AHB2 外設(shè);
- FSMC;
功能講解
下面我們具體講解一下圖中幾個總線的知識。
此總線用于將 Cortex-M4 內(nèi)核的指令總線連接到總線矩陣。內(nèi)核通過此總線獲取指令。此總線訪問的對象是包括代碼的存儲器。
此總線用于將 Cortex-M4 數(shù)據(jù)總線和 64KB CCM 數(shù)據(jù) RAM 連接到總線矩陣。內(nèi)核通過此總線進行立即數(shù)加載和調(diào)試訪問。
此總線用于將 Cortex-M4 內(nèi)核的系統(tǒng)總線連接到總線矩陣。此總線用于訪問位于外設(shè)或 SRAM 中的數(shù)據(jù)。
此總線用于將 DMA 存儲器總線主接口連接到總線矩陣。DMA 通過此總線來執(zhí)行存儲器數(shù)據(jù)的傳入和傳出。
此總線用于將 DMA 外設(shè)主總線接口連接到總線矩陣。DMA 通過此總線訪問 AHB 外設(shè)或執(zhí)行存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。
此總線用于將以太網(wǎng) DMA 主接口連接到總線矩陣。以太網(wǎng) DMA通過此總線向存儲器存取數(shù)據(jù)。
此總線用于將 USB OTG HS DMA 主接口連接到總線矩陣。USB OTG HS DMA 通過此總線向存儲器加載/存儲數(shù)據(jù)。
對于系統(tǒng)架構(gòu)的知識，在剛開始學(xué)習(xí) STM32 的時候只需要一個大概的了解，大致知道是個什么情況即可。對于尋址之類的知識，這里就不做深入的講解，中文參考手冊都有很詳細的講解。
時鐘
STM32F4 時鐘系統(tǒng)的知識在《STM32F4 中文參考手冊》第六章復(fù)位和時鐘控制章節(jié)有非常詳細的講解，網(wǎng)上關(guān)于時鐘系統(tǒng)的講解也基本都是參考的這里，講不出啥特色，這些知識也不是什么原創(chuàng)，純粹根據(jù)官方提供的中文參考手冊和自己的應(yīng)用心得來總結(jié)的，如有不合理之處望大家諒解。
這部分對于計算機組成原理的知識有一定的要求
STM32F4 時鐘樹概述
眾所周知，時鐘系統(tǒng)是 CPU 的脈搏，就像人的心跳一樣。所以時鐘系統(tǒng)的重要性就不言而喻了。
STM32F4 的時鐘系統(tǒng)比較復(fù)雜，不像簡單的 51 單片機一個系統(tǒng)時鐘就可以解決一切。
于是有人要問，采用一個系統(tǒng)時鐘不是很簡單嗎？為什么 STM32 要有多個時鐘源呢？
因為首先 STM32 本身非常復(fù)雜，外設(shè)非常的多，但是并不是所有外設(shè)都需要系統(tǒng)時鐘這么高的頻率，比如看門狗以及 RTC 只需要幾十 k 的時鐘即可。同一個電路，時鐘越快功耗越大，同時抗電磁干擾能力也會越弱，所以對于較為復(fù)雜的 MCU 一般都是采取多時鐘源的方法來解決這些問題。
總述
首先讓我們來看看 STM32F4 的時鐘系統(tǒng)圖
在 STM32F4 中，有 5 個最重要的時鐘源，為 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。
其中 PLL 實際是分為兩個時鐘源，分別為主 PLL 和專用 PLL。
從時鐘頻率來分可以分為高速時鐘源和低速時鐘源，在這 5 個中 HSI，HSE 以及 PLL 是高速時鐘，LSI 和 LSE 是低速時鐘。
從來源可分為外部時鐘源和內(nèi)部時鐘源，外部時鐘源就是從外部通過接晶振的方式獲取時鐘源，其中 HSE 和LSE 是外部時鐘源，其他的是內(nèi)部時鐘源。
功能講解
輸入。
- 主 PLL(PLL)由 HSE 或者 HSI 提供時鐘信號，并具有兩個不同的輸出時鐘。
第一個輸出 PLLP 用于生成高速的系統(tǒng)時鐘（最高 168MHz）
第二個輸出 PLLQ 用于生成 USB OTG FS 的時鐘（48MHz），隨機數(shù)發(fā)生器的時鐘和 SDIO
時鐘。 - 專用 PLL(PLLI2S)用于生成精確時鐘，從而在 I2S 接口實現(xiàn)高品質(zhì)音頻性能。
其余細節(jié)部分請查看文檔
STM32F4 時鐘初始化配置
STM32F4 時鐘系統(tǒng)初始化是在 system_stm32f4xx.c中的 SystemInit()函數(shù)中完成的。
對于系統(tǒng)時鐘關(guān)鍵寄存器設(shè)置主要是在SystemInit函數(shù)中調(diào)用 SetSysClock()函數(shù)來設(shè)置的。
在設(shè)置完相關(guān)寄存器后，接下來 SystemInit 函數(shù)內(nèi)部會調(diào)用 SetSysClock函數(shù)。
在配置的時候，特別需要注意的地方，就是我們還要同步修改 stm32f4xx.h 中宏定義標識符HSE_VALUE 的值為我們的外部時鐘：
#if !defined (HSE_VALUE) #define HSE_VALUE ((uint32_t)8000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */#endif /* HSE_VALUE */這里默認固件庫配置的是 25000000，我們外部時鐘為 8MHz，所以我們根據(jù)我們硬件情況修改為 8000000 即可。
那么 SystemInit 函數(shù)是怎么被系統(tǒng)調(diào)用的呢？
SystemInit 是整個設(shè)置系統(tǒng)時鐘的入口函數(shù)。這個函數(shù)對于我們使用 ST提供的 STM32F4 固件庫的話，會在系統(tǒng)啟動之后先執(zhí)行 main 函數(shù)，然后再接著執(zhí)行 SystemInit 函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)時鐘的設(shè)置。
這個過程設(shè)置是在啟動文件 startup_stm32f40_41xxx.s 中間設(shè)置的，我們接下來看看啟動文件中這段啟動代碼：
這段代碼的作用是在系統(tǒng)復(fù)位之后引導(dǎo)進入 main 函數(shù)，同時在進入 main 函數(shù)之前，首先要調(diào)用 SystemInit 系統(tǒng)初始化函數(shù)完成系統(tǒng)時鐘等相關(guān)配置。
最后我們總結(jié)一下 SystemInit()函數(shù)中設(shè)置的系統(tǒng)時鐘大小：
這部分內(nèi)容十分復(fù)雜，對模電和數(shù)電的知識儲備有要求，內(nèi)容很多就不再貼出來。
STM32F4 時鐘使能和配置
上一部分，說明了系統(tǒng)復(fù)位之后調(diào)用 SystemInit 函數(shù)之后相關(guān)時鐘的默認配置。
如果在系統(tǒng)初始化之后，我們還需要修改某些時鐘源配置，或者我們要使能相關(guān)外設(shè)的時鐘該怎么設(shè)置呢？這些設(shè)置實際是在 RCC 相關(guān)寄存器中配置的。因為 RCC 相關(guān)寄存器非常多，有興趣的同學(xué)可以直接打開《STM32F4 中文參考手冊》6.3 小節(jié)查看所有 RCC 相關(guān)寄存器的配置。
所以這里我們不直接講解寄存器配置，而是通過 STM32F4 標準固件庫配置方法給大家講解。
在 STM32F4 標準固件庫里，時鐘源的選擇以及時鐘使能等函數(shù)都是在 RCC 相關(guān)固件庫文件 stm32f4xx_rcc.h 和 stm32f4xx_rcc.c 中聲明和定義的。大家打開 stm32f4xx_rcc.h 文件可以看到文件開頭有很多宏定義標識符，然后是一系列時鐘配置和時鐘使能函數(shù)申明。這些函數(shù)大致可以歸結(jié)為三類，一類是外設(shè)時鐘使能函數(shù)，一類是時鐘源和分頻因子配置函數(shù)，還有一類是外設(shè)復(fù)位函數(shù)。當(dāng)然還有幾個獲取時鐘源配置的函數(shù)。
下面我們以幾種常見的操作來簡要介紹一下這些庫函數(shù)的使用。
時鐘使能函數(shù)
首先是時鐘使能函數(shù)。時鐘使能相關(guān)函數(shù)包括外設(shè)設(shè)置使能和時鐘源使能兩類。首先我們來看看外設(shè)時鐘使能相關(guān)的函數(shù)：
void RCC_AHB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState); void RCC_AHB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalState NewState); void RCC_AHB3PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB3Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);這里主要有 5 個外設(shè)時鐘使能函數(shù)。5 個函數(shù)分別用來使能 5 個總線下面掛載的外設(shè)時鐘，這些總線分別為：AHB1 總線，AHB2 總線，AHB3 總線，APB1 總線以及 APB2 總線。要使能某個外設(shè)，調(diào)用對應(yīng)的總線外設(shè)時鐘使能函數(shù)即可。
這里我們要特別說明一下，STM32F4 的外設(shè)在使用之前，必須對時鐘進行使能，如果沒有使能時鐘，那么外設(shè)是無法正常工作的。對于哪個外設(shè)是掛載在哪個總線之下，雖然我們也可以查手冊查詢到，但是這里如果大家使用的是庫函數(shù)的話，實際上是沒有必要去查詢手冊的，這里我們給大家介紹一個小技巧。
如何查看？
比如我們要使能 GPIOA,我們只需要在 stm32f4xx_rcc.h 頭文件里面搜索 GPIOA，就可以搜索到對應(yīng)的時鐘使能函數(shù)的第一個入口參數(shù)為 RCC_AHB1Periph_GPIOA，從這個宏定義標識符一眼就可以看出，GPIOA 是掛載在 AHB1 下面。
同理，對于串口 1 我們可以搜索 USART1，找到標識符為 RCC_APB2Periph_USART1，那么很容易知道串口 1 是掛載在 APB2 之下。
如何調(diào)用？
如果我們要使能 GPIOA，那么我們可以在頭文件 stm32f4xx_rcc.h 里面查看到宏定義標識符 RCC_AHB1Periph_GPIOA，顧名思義 GPIOA是掛載在 AHB1 總線之下，所以，我們調(diào)用 AHB1 總線下外設(shè)時鐘使能函數(shù) RCC_AHB1PeriphClockCmd 即可。
-具體調(diào)用方式入如下：
同理，如果我們要使能串口 1 的時鐘，那么我們調(diào)用的函數(shù)為：
void RCC_AHB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState);具體的調(diào)用方法是：
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);還有一類時鐘使能函數(shù)是時鐘源使能函數(shù)，前面已經(jīng)講解過 STM32F4 有 5 大類時鐘源。
這里我們列出來幾種重要的時鐘源使能函數(shù)：
這些函數(shù)是用來使能相應(yīng)的時鐘源。比如我們要使能 PLL 時鐘，那么調(diào)用的函數(shù)為：
void RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState);具體調(diào)用方法如下：
RCC_PLLCmd(ENABLE);我們要使能相應(yīng)的時鐘源，調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)即可。
時鐘功能函數(shù)
接下來我們要講解的是第二類時鐘功能函數(shù)：時鐘源選擇和分頻因子配置函數(shù)。這些函數(shù)是用來選擇相應(yīng)的時鐘源以及配置相應(yīng)的時鐘分頻系數(shù)。
比如我們之前講解過系統(tǒng)時鐘SYSCLK，我們可以選擇 HSI,HSE 以及 PLL三個中的一個時鐘源為系統(tǒng)時鐘。那么到底選擇哪一個，這是可以配置的。下面我們列舉幾種時鐘源配置函數(shù)：
比如我們要設(shè)置系統(tǒng)時鐘源為 HSI，那么我們可以調(diào)用系統(tǒng)時鐘源配置函數(shù)：
void RCC_HCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLK);具體配置方法如下：
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI);//配置時鐘源為 HSI又如我們要設(shè)置 APB1 總線時鐘為 HCLK 的 2 分頻，也就是設(shè)置分頻因子為 2 分頻，那么如果我們要使能 HSI，那么調(diào)用的函數(shù)為：
void RCC_PCLK1Config(uint32_t RCC_HCLK);具體配置方法如下：
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);外設(shè)復(fù)位函數(shù)
接下來我們看看第三類外設(shè)復(fù)位函數(shù)。如下：
void RCC_AHB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState); void RCC_AHB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalState NewState); void RCC_AHB3PeriphResetCmd(uint32_t RCC_AHB3Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB1PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB2PeriphResetCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);這類函數(shù)跟前面講解的外設(shè)時鐘函數(shù)使用方法基本一致，不同的是一個是用來使能外設(shè)時鐘，一個是用來復(fù)位對應(yīng)的外設(shè)。這里大家在調(diào)用函數(shù)的時候一定不要混淆。
對于這些時鐘操作函數(shù)，我們就不一一列舉出來，大家可以打開 RCC 對應(yīng)的文件仔細了解。
總結(jié)
總線與時鐘部分讓人頭大，草草的過了一遍知識點，有點囫圇吞棗的意思了，不過我的目標也是先用起來，暫時不深究，等用到了之后再仔細學(xué)習(xí)相應(yīng)的部分，未完待續(xù) =w=
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的STM32学习之总线与时钟的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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