关于内外时钟切换及时钟超频测试

描述

 前言

 

近日,有群友困于STM32的时钟系统。这里就详细介绍一下关于内外时钟切换及时钟超频测试,希望对大家能有所帮助。

 

STM32

 

诚然,当使用固件库时,把外部晶振摘掉,系统确实会自动切换到内部时钟,但是只会以8M的默认值运行,显然这是十分不可行的,8M的速度直接让我们的STM32病入膏肓,今天的任务就是让STM32失去外挂(晶振)时,依旧可以激情澎湃。

 

时钟详解这里不过多介绍,自己也没有别人介绍的好,本文旨在解决现实问题。

 

此处插播广告:群友问过这种问题,外部接8M晶振和16M晶振有啥区别?

 

以我微薄的经验来看,这两个在用的时候差别不大,如果使用ST的固件库(以STM32F103为例),使用8M的晶振会更方便,不用改任何代码,时钟就是72M的全速运行状态。如果用16M晶振,则需要修改代码:

 

在stm32f10x.h中修改宏定义HSE_VALUE   ((uint32_t)8000000)为HSE_VALUE   ((uint32_t)16000000)。

 

STM32

 

之后进入system_stm32f10x.c,将RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);改为RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2| RCC_CFGR_PLLMULL9);此处是将输入时钟二分频为8M,再进行9倍频到72M,和使用了8M没区别。

 

如果不进行该二分频操作,时钟还是有的,但是会以16M为基准进行9倍频到144M,此时单片机以超频模式运行,也是可以运行的。但是,时钟的精准性不能得到保证。

 

STM32

 

系统的时钟可以通过添加代码在debug模式下显示:

 

RCC_ClocksTypeDef ClockInfo;
RCC_GetClocksFreq(&ClockInfo);

 

STM32

 

通过debug模式下观察ClockInfo的值,便可知道此时系统时钟速度:

 

STM32

 

STM32

 

这里提一下,在使用外部晶振的情况下,ST即使是超频,依旧发挥稳定,不得不夸一下ST的质量。

 

此时我将我的开发板以8M的基准倍频16倍,得到128M的主频,使用定时器定时10us,示波器测试无误差。串口通信无误。

 

STM32

 

STM32

 

STM32

 

STM32

 

以72M的主频跑128依旧稳定,赞一个,因为我的外部晶振只有8M最大只能倍频到128,如果使用外部16M,不知继续倍频可以到多少。不过性能还是很好的。

 

预留测试GD32的效果:

 

写本文时,将GD的GD32E230翻出来进行了同样的测试,因为GD的倍频器倍数较高,我已经倍频到144M(标准72M),测试定时器依旧稳定。

 

STM32

 

广告很长,请忍一下:

 

上半场结束,下半场继续:

 

此处歪解一下时钟的问题,之前有群友很疑惑单片机的低功耗和时钟的关系,疑惑高速的时钟会不会增加MCU的功耗,为啥低功耗要降低时钟速度。这里讲解一下:

 

可以用用单位时间内执行的指令来看,高速时钟在单位时间内使系统跑了更多的指令,而低速时钟单位时间内跑的少,而单片机是直线结构,内核是不会休息的,功耗就看执行的指令多少。而单片机的低功耗就是降低时钟,让单片机跑慢点。就像人一样,低功耗相当于你不跑了,原地休息,但是你的心跳不会停止,你还是得消耗能量,即使再少还得消耗。

 

就像人一样,时钟就相当于心跳,只要还活着就得消耗能量,你要想跑得快,心脏就得跳得快,跳得越快能量消耗越高,即使你去睡觉,心跳只要不停止,你还得消耗能量,如果心跳没了,整个人就没了,MCU也就宕机了。所以,在处理低功耗时最先解决的就是时钟频率,只有降低了时钟的频率,才能真正降低功耗。关于单片机进入低功耗和唤醒,以及降低整体运行功耗我看能不能在下文讲解,近期刚好做了一个低功耗的项目,这里留悬念吧。

 

广告结束,正文开始,不好意思,有点喧宾夺主了哈!

 

回到主题,为了解决时钟切换的问题,才有了这个帖子,上文全属歪楼,为最近开发时的经验总结。

 

我们在使用STM32103的固件库时,时钟配置在system_stm32f10x.c中,但是只是对外部晶振做了初始化,而对于内部时钟并没有添加代码,如果你的MCU没有外部晶振,当系统运行时是先启动内部时钟,然后会检测外部晶振,如果没有检测到晶振,系统便以内部的8M继续运行,这是不合理的。

 

STM32

 

这里可以看到,如果外部启动失败,会进入这个else,但是这个else中并未添加任何代码,所以只会用8M的内钟执行,我们要做的就是在else中添加外部启动失败的代码:

 

    /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */
        RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 
        /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/
        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 
                         
        /*PLLCLK=8/2*13=52MHz   设置倍频得到时钟源PLL的频率*/
        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL12;
        /* PLL不分频输出  */
        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
         
        /* 使能 PLL时钟 */
        RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
        /* 等待PLL时钟就绪*/
        while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
        {
        }
        /* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */
        RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    
        /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/
        while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)
        {
        }

 

该代码填充后如果检测到有外部时钟,便以外部时钟为基准进行时钟的倍频处理,达到用户想要的时钟频率,如果你的MCU没有外部时钟,则会执行else内部的代码,将时钟源切换到内部时钟并进行倍频,如此便达到了自动检测时钟的目的。

 

问题:这是我根据STM32F031的时钟切换代码演变来的,但是这个只能用于主频小于或等于48M时使用,如果倍频因子超过12,也就是主频超过48M是,就会出现硬件错误,直接卡死。当需要更高的主频时就需要如下配置。

 

在else里面最开头添加:

 

    /* Enable Prefetch Buffer */
    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;
    /* Flash 2 wait state */
    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);
    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;         

 

STM32

 

问:如果我的MCU有晶振,但是我不想用外部,就想用内部,如何处理呢?

 

答:打一顿就好了,有外部不用干啥用内部呢?

 

上述纯属恶搞自己,被坑过……

 

因为内部时钟不准!!!测试内部时钟在使用定时器时会有偏差,本人在此吃过亏。此问题在STM32F031和GD32E230中均有体现。但是USART和SPI通信是正常的,即使我用的2.5M波特率的USART和8M的SPI。

 

解决办法,上述代码不用动,添加如下代码。

 

STM32

 

通过注释原文RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);并添加RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);可默认之以内部时钟方式启动。  注意:在主函数加上SystemInit();函数哦!!!  最终代码如下:

 

static void SetSysClockTo72(void)
{


  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;


  


  /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/    


  /* Enable HSE */    


//  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


        /*取消改行注释并注释上文,可默认启动内部时钟*/


        RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


  /* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */


  do


  {


    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;


    StartUpCounter++;  


  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));






  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)


  {


    HSEStatus = (uint32_t)0x01;


  }


  else


  {


    HSEStatus = (uint32_t)0x00;


  }  






  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)


  {


    /* Enable Prefetch Buffer */


    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;






    /* Flash 2 wait state */


    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);


    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;    










    /* HCLK = SYSCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


      


    /* PCLK2 = HCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;


    


    /* PCLK1 = HCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;






#ifdef STM32F10X_CL


    /* Configure PLLs ------------------------------------------------------*/


    /* PLL2 configuration: PLL2CLK = (HSE / 5) * 8 = 40 MHz */


    /* PREDIV1 configuration: PREDIV1CLK = PLL2 / 5 = 8 MHz */


        


    RCC->CFGR2 &= (uint32_t)~(RCC_CFGR2_PREDIV2 | RCC_CFGR2_PLL2MUL |


                              RCC_CFGR2_PREDIV1 | RCC_CFGR2_PREDIV1SRC);


    RCC->CFGR2 |= (uint32_t)(RCC_CFGR2_PREDIV2_DIV5 | RCC_CFGR2_PLL2MUL8 |


                             RCC_CFGR2_PREDIV1SRC_PLL2 | RCC_CFGR2_PREDIV1_DIV5);


  


    /* Enable PLL2 */


    RCC->CR |= RCC_CR_PLL2ON;


    /* Wait till PLL2 is ready */


    while((RCC->CR & RCC_CR_PLL2RDY) == 0)


    {


    }


    


   


    /* PLL configuration: PLLCLK = PREDIV1 * 9 = 72 MHz */ 


    RCC->CFGR &= (uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLMULL);


    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | 


                            RCC_CFGR_PLLMULL9); 


#else    


    /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */


    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |


                                        RCC_CFGR_PLLMULL));


    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL16);


#endif /* STM32F10X_CL */






    /* Enable PLL */


    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






    /* Wait till PLL is ready */


    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


    {


    }


    


    /* Select PLL as system clock source */


    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    






    /* Wait till PLL is used as system clock source */


    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)


    {


    }


  }


  else


  { 


    /* Enable Prefetch Buffer */


    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;


    /* Flash 2 wait state */


    FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY);


    FLASH->ACR |= (uint32_t)FLASH_ACR_LATENCY_2;          


           /* 开启HSI 即内部晶振时钟 */


        RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; 






        /*选择HSI为PLL的时钟源HSI必须2分频给PLL*/


        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLSRC_HSI_Div2; 






                         


        /*PLLCLK=8/2*13=52MHz   设置倍频得到时钟源PLL的频率*/


        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PLLMULL16;






        /* PLL不分频输出  */


        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


         


        /* 使能 PLL时钟 */


        RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






        /* 等待PLL时钟就绪*/


        while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


        {


        }










        /* 选择PLL为系统时钟的时钟源 */


        RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


        RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    






        /* 等到PLL成为系统时钟的时钟源*/


        while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08)


        {






        }


  }


}

 

在STM32F030或者STM32F031中,同样可以做类似操作:

 

static void SetSysClock(void)
{


  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;


  


  /* SYSCLK, HCLK, PCLK configuration ----------------------------------------*/


  /* Enable HSE */   






RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


        //修改为内部晶振        


//        RCC->CR &= ~((uint32_t)RCC_CR_HSEON);


 


  /* Wait till HSE is ready and if Time out is reached exit */


  do


  {


    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;


    StartUpCounter++;  


  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));






  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)


  {


    HSEStatus = (uint32_t)0x01;


  }


  else


  {


    HSEStatus = (uint32_t)0x00;


  }  






  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)


  {


    /* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */


    FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;


 


    /* HCLK = SYSCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;


      


    /* PCLK = HCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






    /* PLL configuration = HSE * 6 = 48 MHz */


    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL));


    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1 | RCC_CFGR_PLLMULL7);


            


    /* Enable PLL */


    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






    /* Wait till PLL is ready */


    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


    {


    }






    /* Select PLL as system clock source */


    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;    






    /* Wait till PLL is used as system clock source */


    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL)


    {


    }


  }


  else


  { /* If HSE fails to start-up, the application will have wrong clock 


         configuration. User can add here some code to deal with this error */


                   // HSI 内部时钟做为PLL时钟源并配置PLL 56M做为系统时钟


    /* Enable Prefetch Buffer and set Flash Latency */


    FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY;






    /* HCLK = SYSCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_HPRE_DIV1;






    /* PCLK = HCLK */


    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_PPRE_DIV1;






    // PLL configuration = (HSI/2) * 12 = 48 MHz


    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, RCC_PLLMul_14); // 8M/2 * 14 = 56M






    /* Enable PLL */


    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;






    /* Wait till PLL is ready */


    while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)


    {


    }






    /* Select PLL as system clock source */


    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); // PLL 做系统时钟






    /* Wait till PLL is used as system clock source */


    while ((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)RCC_CFGR_SWS_PLL)


    {


    }


  }  


}

 

在STM32F103中,使用内部晶振,最大时钟频率也只能到64M,受倍频因子的影响嘛,最大只能倍频16倍。但在STM32F031中,标准使用内部时钟主频只有48M,但是我们仍然可以继续倍频,用内部时钟进行超频达到64M。在我们的产品中就用过内部超频到56M,USART和SPI长时间无问题。

 

而GD32E230因为其高达32的倍频因子,内部时钟可以倍频到128M。

 

STM32

 

但是,这种几分钟内没有明显发热现象,不敢做长时间测试,现在MCU有点小贵。干费一个就心疼。

 

总之,无论ST还是国产,其主频更适合在规定的范围内运行,但是跑极限在短时间内也没有很大的问题。这些数据仅供参考。

 

至此单片机时钟讲解就结束了,没有多少理论性的东西,主要是解决一些时钟使用时的问题,自己也总是忘,留帖一篇作为自省。

 

本文中所有代码都经过本人测试,运行无任何问题,但是对于问题的阐述或者一些见解可能有错误,欢迎大佬们批评指正,一定接受各种批评,努力完善!

审核编辑 :李倩 


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