MCU的时钟树讲解

各位朋友在使用MCU进行开发时，是否有遇到过以下现象：将两份同样的程序下载到两块相同的MCU，最终运行时，发现其中一块时序正常，而另一块时序异常，无论是采用定时器延时 或 使用通信接口通信，都会发现时钟速度不正常。别担心，通过本次的学习，也许能解决问题！

本文将讲解MCU中的时钟树，通过分析一款具体型号的MCU手册，来说明MCU中的时钟的来源以及其作用，分析时钟树对于编程的影响。

以下内容，只表示个人观点，不一定完全正确，但欢迎大家指正错误和提出建议，必有重谢。

Part 1

时钟树介绍

单片机中的时钟树是什么？有什么作用？

笔者认为，时钟树是关注单片机的时钟源和时钟的流向的树状结构。单片机开发工程师通过分析一款单片机芯片的时钟树，可以获取到这款芯片中的时钟数目以及各时钟作用。当芯片工作时序紊乱时，结合时钟树分析以及使用示波器等工具，就可以排查出问题的根源。

Part 2

STM32F4xx时钟树分析

本例以STM32F407ZG芯片为例来分析时钟树，此款芯片正常工作时主频率为168MHz。打开此款芯片的参考手册，找到时钟树的图片。

Step1，找出此款STM32芯片中5个时钟源：低速内部时钟LSI，低速外部时钟LSE，高速内部时钟HSI，高速内部时钟HSE，锁相环路时钟PLL。找出他们后，关注这5个时钟的来源和流向。

Step2，在图中标注这5种时钟源的来源和流向。

Step3，对于每个时钟源逐个分析，逐个击破！

1. LSI，低速内部时钟（位于图片上方，用蓝线标记），时钟来源是MCU内部的RC振荡电路，频率为32KHz。

作用：驱动独立看门狗 ， 也可以驱动RTC（实时时钟，本质还是一款定时器，一般不用LSI驱动RTC）

2.LSE，低速外部时钟（位于图片上方，用绿线标记），时钟来源是MCU的OSC32IN和OSC32OUT连接晶振电路提供的时钟信号，在本开发板使用的32.768kHz（LSE一般也使用32.768kHz）。

作用：驱动RTC（一般用LSE驱动RTC，因为RTC内部可以达到32768分频，故产生的计数频率为1Hz）

补充：LSE的时钟可以通过MCO1引脚输出，用于测试外部低速晶振电路是否正常。

3.HSI，高速内部时钟（位于图片中心，用紫线标记），时钟来源是MCU内部的RC振荡电路，频率为16MHz。

作用：提供芯片的主频（16MHz）, 也可以为PLL提供时钟输入。

补充：HSI的时钟可以通过MCO1引脚输出，用于测试内部高速振荡电路是否正常。

4.HSE，高速外部时钟（位于图片左下，用粉线标记），时钟来源是MCU的OSC_IN和OSC_OUT连接晶振电路提供的时钟信号，在本开发板使用的25MHz。

作用：驱动RTC ， 提供芯片的主频（25MHz） ，也可以为PLL提供时钟输入。

补充：HSE的时钟可以通过MCO1和MCO2引脚输出，用于测试外部高速晶振电路是否正常。

5.PLL，锁相环路时钟（位于图片左下，用红线标记），时钟来源是HSI或HSE。

作用：放大时钟来源的频率，提供芯片主频（又称系统时钟SYSCLK）。

Part 3

MCU系统时钟（主频）的计算

考虑到常规使用STM32时，不会直接使用HSI和HSE作为芯片的主频（数值较小），一般都是用HSE作为PLL的时钟输入，再用PLL时钟输出作为MCU的主频。

结合上图左下角PLL部分框图中出现的系数，可以得到MCU主频为：

f ~ SYSCLK~ = (f ~ HSE ~ / M) * (N/P); //单位MHz

故说明MCU的主频受到外部晶振电路的频率以及PLL时钟电路中的M、N、P的影响。笔者以自己使用的开发板（信盈达公司的STM32F407ZG开发板）为例，做进一步的说明。

电路上，用于连接HSE的晶振电路是25MHz，如下图所示。

故公式中f ~ HSE~数值为25MHz，另外三个参数M、N、P是通过编程配置的，定义于文件system_stm32f4xx.c中（这个文件是由STM32厂商提供，是建立工程的必要文件之一）。

可以看到其中M为25，N为336，P为2。代入公式

f ~ SYSCLK~ = (f ~ HSE~ / M) * (N/P); //单位MHz

计算出芯片的主频为168MHz。如果开发板上使用的外部晶振电路被替换为8MHz，则需要更改程序中出现的PLL_M的值，将它由25修改为8后，才可以保证MCU继续维持168MHz的主频。

总结：一款MCU的主频的设置取决于两方面：硬件电路设计（特别是MCU外部的晶振电路）和软件设计（关于PLL时钟相关的分频和倍频系数，通过程序设置）。但这一切归根结底，还是在于能否正确理解一款芯片时钟树！

留给读者的思考，下图为STM32F1xx时钟树，找出它的各个时钟源的来源和流向，分析各自的作用。并思考STM32F1xx系列芯片在时钟上和STM32F4xx系列芯片有何不同。