单片机（STM32-时钟系统）

一、时钟系统基础

1. STM32时钟系统概述

STM32的时钟系统是一个复杂而精密的架构，负责为整个微控制器提供各种频率的时钟信号。理解时钟系统对于STM32的开发和优化至关重要。

2. 时钟系统的组成

（振荡器，唤醒定时器，倍频器，分频器）

振荡器（Oscillator）：时钟源，包括外部晶体和内部RC。产生信号的源头。

锁相环（PLL，倍频器）：对时钟信号进行倍频。

分频器（Prescaler/Divider）：对时钟信号进行分频。

时钟切换与控制逻辑：选择和分配时钟源，控制外设时钟开关。

外设时钟分配：为各外设分配合适的时钟。

（可选）时钟输出（MCO）：将时钟信号输出到外部。

3. 振荡器分类

在STM32时钟系统中，分别指的是晶体振荡器和RC振荡器，它们是常见的时钟源类型。

3.1 晶体振荡器（Crystal Oscillator）

原理：

利用石英晶体的压电效应，产生非常稳定和精确的振荡信号。

优点：

频率精度高（ppm级别）

温度稳定性好

适合对时钟精度要求高的应用（如USB、RTC、通信等）

缺点：

启动时间较长（通常几毫秒）

成本较高

需要外部元件（晶体和负载电容）

在STM32中的应用：

HSE（High Speed External）：高速外部晶体（如8MHz、12MHz等），常用于主系统时钟

LSE（Low Speed External）：低速外部晶体（32.768kHz），常用于实时时钟（RTC）

3.2 RC振荡器（Resistor-Capacitor Oscillator）

原理：

利用电阻和电容充放电特性产生振荡信号，通常为片上集成的RC电路。

优点：

成本低

启动快

不需要外部元件

缺点：

频率精度较低（受工艺、温度、电压影响大）

稳定性较差

不适合对时钟精度要求高的场合

在STM32中的应用：

HSI（High Speed Internal）：高速内部RC振荡器（如8MHz、16MHz等），适合一般应用

LSI（Low Speed Internal）：低速内部RC振荡器（如40kHz），常用于独立看门狗、低功耗定时等

3.3 区别：

特性	晶体振荡器（Crystal）	RC振荡器（RC）
精度	高	低
稳定性	高	低
成本	高	低
启动速度	慢	快
外部元件	需要	不需要
典型用途	RTC、主时钟、USB等	看门狗、一般应用

 3.4 STM32时钟源分类

HSI（High Speed Internal）：高速内部RC振荡器（如8MHz、16MHz等），适合一般应用HSE（High Speed External）：高速外部晶体（如8MHz、12MHz等），常用于主系统时钟

LSI（Low Speed Internal）：低速内部RC振荡器（如32kHz），常用于独立看门狗、低功LSE（Low Speed External）：低速外部晶体（32.768kHz），常用于实时时钟（RTC）

红色是一般常用的频率，也是现在用的。

3.5 时钟树

时钟树（Clock Tree）是指单片机内部所有时钟信号的来源、分配和流向的结构图。

它形象地展示了各种时钟源（如外部晶体、内部RC、PLL等）如何通过分频、倍频、切换等方式，最终分配到各个总线和外设。

三、滴答定时器

滴答定时器是CPU内部的,定时器是CPU外部的。

1. 概念

• SysTick是Cortex-M系列内核（如STM32F1/F4等）内置的一个24位递减计数定时器。

• 主要用于操作系统节拍（tick），也常用于周期性中断、延时等功能。
• 和NVIC配合使用（可以产生异常信号（等价与中断，在CPU内部产生的叫做异常，在CPU外部产生的叫做中断））

2. 工作原理

设置LOAD寄存器，决定定时周期。

启动SysTick，计数器开始递减。

计数到0时，自动重装载，并可产生中断。

在中断服务函数中处理定时任务。

注意：一定要知道，HZ单位是什么意思，这是震动的频率，1HZ就是一秒震动一次，就是电平变化一次，1KHZ就是一秒震动1000次。

找到我们的滴答时钟：确认输入频率是4MHZ，所以重载寄存器的默认值就是4000-1，所以滴答定时器默认一毫秒触发一次异常（中断），因为设置的uwTick提供一个1ms的时间基准

四、RCC

1. RCC

• RCC（Reset and Clock Control）是STM32单片机内部的一个外设模块，用于管理和控制整个芯片的时钟和复位功能。

• 它是一个功能单元，就像GPIO、USART、ADC等外设一样。

2. RCC寄存器

• RCC寄存器是RCC模块内部的一组控制和状态寄存器。

• 这些寄存器用于配置和控制RCC模块的各种功能，比如时钟源选择、分频、外设时钟开关、复位等。

• 你通过读写RCC寄存器，来实现对时钟和复位的管理。

3. 二者的关系

• RCC是一个外设模块（功能单元）。

• RCC寄存器是RCC模块的“操作面板”，是你和RCC模块“对话”的接口。

• 你通过操作RCC寄存器，来实现对RCC模块的各种功能控制。

五、TIM定时器

1. 概念

TIM是Timer（定时器）的缩写。STM32中有多种定时器，统称为TIM定时器。

它们可以用于定时、计数、PWM输出、输入捕获、输出比较、编码器接口等多种功能。

2. STM32U5的定时器分类

3. TIM定时器框图

TIM定时器的基本结构

计数器（CNT）：记录当前计数值。

自动重装载寄存器（ARR）：设定计数器的最大值，计数到达后清零重计。

预分频器（PSC）：对时钟进行分频，调节计数速度。

捕获/比较寄存器（CCR）：用于输入捕获或输出比较。

控制寄存器（CR1/CR2）：配置定时器的工作模式。

补充：预分频器，计数器和自动重载寄存器是基本三部分

4.定时器的定时周期计算公式：

T定时=(PSC+1)×(ARR+1)/FTIMT​

• PSC：预分频器值

• ARR：自动重装载值

• F_TIM：定时器时钟频率

注意：(1)T定时就是定的中断时间

(2)PSC和ARR必须都不大于65535

5.定时器实验

目标：实现LED3随着定时器闪烁，时间0.3秒一次

 (1)配置RCC

控制定时器

(2)配置TIM17定时器

查看FTIMT​

先查看TIM17在哪个总线上（在SPB2上）

PSC和ARR自己计算，得出定时时间（不唯一，只要不超出范围）

(3)配置NVIC

用来触发中断，计时器到时间就会触发中断

(4)编写程序实现

定时器中断回调函数:

__weak void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);

开启定时器函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);

1. 重写回调函数：

2. 开启定时器：

六、PWM

1. 概念：

PWM是一种通过改变脉冲信号的高电平宽度（占空比），来控制平均输出电压或能量的方法。

• 周期：一组高低电平的总时间

• 占空比：高电平时间/周期时间 × 100%

2. PWM的主要用途

• 电机调速（如直流电机、舵机）

• LED亮度调节

• 加热器功率控制

• 音频信号合成

• 数字-模拟信号转换（DAC）

3. STM32中如何产生PWM？

STM32的TIM定时器（尤其是通用定时器和高级定时器）可以很方便地输出PWM信号。

3.1 输入捕获：

输入捕获是一种利用定时器记录外部信号特定时刻（如上升沿、下降沿）到达时，定时器计数值的功能。

输入捕获测量PWM的原理

1. 定时器计数器以已知频率递增。

2. 输入捕获通道连接到PWM信号输入引脚。

3. 配置定时器在上升沿和下降沿时分别捕获计数值。

4. 通过两次上升沿之间的计数差，得到周期。

5. 通过上升沿和下一个下降沿之间的计数差，得到高电平宽度。

计算公式：

• 频率 = 定时器时钟 / 周期计数

• 占空比 = 高电平宽度 / 周期计数 × 100%

3.2 输出比较：

此项功能是用来控制一个输出波形，当计数器与捕获/比较寄存器的内容相同时，输出比较功能做出相应动作，比如电平的翻转。通常用于生成PWM波形。

3.3 输出过程：

当0-t1这段时间，计数器寄存器的CNT的值是小于CCR，输出高电平。

当t1-t2这段时间，计数器寄存器的CNT的值是大于CCR且小于ARR的，输出低电平。

当CNT的值达到ARR里的值时，产生溢出事件，自动清零再次从0开始向上计数。

补充：关键寄存器

• ARR：决定PWM周期

• CCR：决定高电平时间（占空比）

• PSC：预分频器，调节定时器计数速度

3.5 PWM输出的基本配置流程

目标：实现风扇百分之五十功率转动。

(1)使能定时器和GPIO时钟（通过RCC）

和上面设置RCC一样

(2)配置GPIO为复用推挽输出（风扇）

(3)配置定时器TM3

PWM模式

同时设置ARR、PSC、CCR

(4)使能定时器和通道输出

开启PWM时钟函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)

回调函数还是：（但是用不到）

__weak void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);

八、总结

1. 时钟系统是STM32微控制器的核心基础，决定了各个模块的运行速度和精度。理解时钟源的分类（晶体、RC）、时钟树结构及其分配方式，有助于合理配置系统和外设的时钟，提高系统性能和稳定性。

2. RCC（复位与时钟控制）模块是时钟系统的管理中枢。通过RCC寄存器，可以灵活地选择时钟源、配置分频、使能或关闭外设时钟，实现对功耗和性能的优化管理。

3. 滴答定时器（SysTick）是Cortex-M内核自带的定时器，常用于系统节拍和延时。它以系统主时钟为基准，提供了高精度的1ms时间基准，便于实现延时和定时任务。

4. TIM定时器是STM32中功能丰富的外设，支持定时、计数、PWM输出、输入捕获、输出比较等多种模式。通过合理配置PSC、ARR等参数，可以实现精确的定时和多样的控制功能。

5. PWM（脉宽调制）是定时器的重要应用之一，广泛用于电机调速、LED亮度调节等场合。掌握PWM的原理、占空比和周期的设置方法，有助于实现对外部设备的精细控制。

6. 输入捕获功能可以用来测量外部PWM信号的频率和占空比，扩展了定时器的应用范围。