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引言
在嵌入式系统设计中，时钟源（Clock Source）的选择与RTC（Real-Time Clock，实时时钟）的精度管理是确保系统稳定运行的重要环节。错误的时钟策略不仅会导致系统性能下降，还可能造成功耗增加、时间漂移甚至功能异常。本文将从时钟树配置与RTC设计要点两个方面，整理工程实践中的常见经验与注意事项。
一、时钟源和时钟树
1.1 时钟源选择
选择贴近模块所需频率的时钟源，可减少分频或倍频电路的使用，降低抖动（jitter）和功耗，同时减少时钟树（Clock Tree）复杂度。
例如，需要 48 MHz 系统时钟时，优先选择接近 48 MHz 的晶振或内部源，而非使用 8 MHz 再通过 PLL 倍频。
若没有合适的时钟源，可以参考以下优先级：
- 低速源 + PLL 倍频：PLL 倍频后仍能保持较高的相位稳定性，但功耗情况较为负责：虽然低速源本身功耗小，但 PLL 模块本身功耗较高，在一些低功耗 MCU 上（尤其是超低功耗 ARM Cortex-M0+ 系列），使用低速时钟源+PLL的总功耗可能高于使用一个高速源+预分频器。因此功耗取决于目标频率、PLL效率和MCU工艺，务必结合芯片数据手册实测确认）。
- 高速源 + 预分频器：能提供稳定时钟，但原始高速振荡功耗较大。
1.2 外部源与内部源
1）外部时钟源（如晶振、外部时钟模块）
- 精度高
- 抗温漂能力强
- 一般来说启动时间较长（相比内部时钟源，通常在毫秒级甚至更长，具体取决于晶振类型和电路设计）、功耗较高
2）内部时钟源（一般是内部RC振荡器）
- 启动快、功耗低
- 精度较差、受温度影响明显
- 适用于启动阶段、低功耗模式或对时钟精度要求不高的场景
为什么MCU内部一般都是RC振荡器：
内部振荡器几乎都是 RC 振荡器，因为它便宜、易集成、不依赖外部器件。晶体振荡器一般很难做在MCU内部（因为石英晶体是机械结构，需要外部封装），所以通常 MCU 里只是集成了驱动电路（oscillator driver），让你外接晶体。
1.3 时钟树配置推荐顺序
1）关闭中断
避免时钟未稳定时中断触发导致异常。
2）选择并启用内部时钟源作为备用时钟
系统上电后，MCU通常默认使用内部RC振荡器（如HSI）作为时钟源，确保系统有一个稳定（即使精度不高）的基础时钟启动运行。这保证了即使后续外部时钟启动失败，系统也能维持基本功能（如运行错误处理代码）。
3）选择并启用外部时钟源作为主时钟
一般来说MCU内部提供的都是RC振荡器，RC振荡器不管精度还是稳定性都不如晶体振荡器，因此接下来采用更稳定、高精度的外部晶振作为主时钟，此过程需要等待晶振稳定。
如何判断振荡器稳定：
1. 稳定性标志为核心依据
稳定性标志是软件判断的主要依据，MCU 振荡器硬件模块（如 OSC_RDY、PLL_LOCK）通过内部机制（如频率检测、相位检测）会生成一个“稳定标志”。软件应优先依赖并检查这个标志位来判断振荡器是否稳定。
2. 两种获取稳定标志的方法
- 轮询（Polling）：软件主动循环读取稳定标志，常见于启动初始化阶段，简单直观。
- 中断（Interrupt）：振荡器稳定后硬件触发中断，CPU 可在低功耗状态等待唤醒，提升效率，适合实时操作系统或复杂应用。
3. 可编程延时用于增强标志可信度
振荡器启动后，硬件内部启动一个可编程延时计数器，确保振荡器有充分时间稳定，避免因瞬间频率波动导致稳定标志误判。软件读取的稳定标志结合延时，保证判断结果的可靠性。
4）配置PLL参数
PLL将主时钟倍频至系统所需频率，配置需符合芯片规格。
5）启用PLL并等待锁定
确认PLL输出频率稳定，防止时钟跳变导致异常。
6）切换系统主时钟到PLL输出
使用高性能PLL时钟提升CPU和外设速度。
7）配置各总线和外设时钟分频并使能
总线频率满足外设要求，防止超频或时序异常。开启外设时钟使能，按需节省功耗。
8）开启中断
确保时钟和外设稳定后再开启中断，保障系统正常响应。
二、RTC相关设计注意事项
RTC用于记录日历时间，即便系统掉电或进入低功耗模式，也能持续计时。设计不当可能导致时间漂移、溢出甚至丢失。
2.1 RTC精度保证
为了确保RTC时间长期准确，常见做法包括：
1）独立供电 + 外部晶振
- 低功耗、温漂小
- 常用32.768 kHz晶振，32.768 kHz经15级二分频可精确得到1 Hz信号（32768/2¹⁵=1），方便实现精确的1 Hz信号
2）溢出中断处理
当检测到RTC计数器即将溢出（通过预装载或比较中断）或发生溢出中断时，将当前的溢出次数保存到非易失存储器（如Flash、EEPROM），然后复位到0并保持连续计数。这样软件在读取时间时，需要将保存的累计时间与当前RTC计数值合并计算。
3）休眠处理
在休眠前保存当前时间，然后复位到0并保持连续计数，避免因计数器溢出导致大幅时间跳变。
4）外部时间源同步
使用外部时间（如GPS、NTP、蜂窝网络时间）用于定期校准，防止因供电异常或晶振偏差造成的累计误差
2.2 RTC软件层面防护
1）软件应定期读取并保存当前时间（如每隔数小时写入Flash）
2）对于长期断电的设备，可在重启时从外部时间源获取基准时间
三、总结
时钟源与RTC虽然在系统中“默默工作”，但它们的选型与配置往往影响全局。
良好的时钟架构不仅能提升系统性能与稳定性，还能降低功耗与维护成本。工程实践中，应结合功耗、精度、启动速度、成本等多方面权衡，制定合适的时钟与RTC策略。
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