各位朋友在使用MCU進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，是否有遇到過(guò)以下現(xiàn)象：將兩份同樣的程序下載到兩塊相同的MCU，最終運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一塊時(shí)序正常，而另一塊時(shí)序異常，無(wú)論是采用定時(shí)器延時(shí) 或 使用通信接口通信，都會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘速度不正常。別擔(dān)心，通過(guò)本次的學(xué)習(xí)，也許能解決問(wèn)題！

本文將講解MCU中的時(shí)鐘樹(shù)，通過(guò)分析一款具體型號(hào)的MCU手冊(cè)，來(lái)說(shuō)明MCU中的時(shí)鐘的來(lái)源以及其作用，分析時(shí)鐘樹(shù)對(duì)于編程的影響。

以下內(nèi)容，只表示個(gè)人觀點(diǎn)，不一定完全正確，但歡迎大家指正錯(cuò)誤和提出建議，必有重謝。

Part 1

時(shí)鐘樹(shù)介紹

單片機(jī)中的時(shí)鐘樹(shù)是什么？有什么作用？

筆者認(rèn)為，時(shí)鐘樹(shù)是關(guān)注單片機(jī)的時(shí)鐘源和時(shí)鐘的流向的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。單片機(jī)開(kāi)發(fā)工程師通過(guò)分析一款單片機(jī)芯片的時(shí)鐘樹(shù)，可以獲取到這款芯片中的時(shí)鐘數(shù)目以及各時(shí)鐘作用。當(dāng)芯片工作時(shí)序紊亂時(shí)，結(jié)合時(shí)鐘樹(shù)分析以及使用示波器等工具，就可以排查出問(wèn)題的根源。

Part 2

STM32F4xx時(shí)鐘樹(shù)分析

本例以STM32F407ZG芯片為例來(lái)分析時(shí)鐘樹(shù)，此款芯片正常工作時(shí)主頻率為168MHz。打開(kāi)此款芯片的參考手冊(cè)，找到時(shí)鐘樹(shù)的圖片。

Step1，找出此款STM32芯片中5個(gè)時(shí)鐘源：低速內(nèi)部時(shí)鐘LSI，低速外部時(shí)鐘LSE，高速內(nèi)部時(shí)鐘HSI，高速內(nèi)部時(shí)鐘HSE，鎖相環(huán)路時(shí)鐘PLL。找出他們后，關(guān)注這5個(gè)時(shí)鐘的來(lái)源和流向。

Step2，在圖中標(biāo)注這5種時(shí)鐘源的來(lái)源和流向。

Step3，對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘源逐個(gè)分析，逐個(gè)擊破！

1. LSI，低速內(nèi)部時(shí)鐘（位于圖片上方，用藍(lán)線(xiàn)標(biāo)記），時(shí)鐘來(lái)源是MCU內(nèi)部的RC振蕩電路，頻率為32KHz。

作用：驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門(mén)狗 ， 也可以驅(qū)動(dòng)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘，本質(zhì)還是一款定時(shí)器，一般不用LSI驅(qū)動(dòng)RTC）

2.LSE，低速外部時(shí)鐘（位于圖片上方，用綠線(xiàn)標(biāo)記），時(shí)鐘來(lái)源是MCU的OSC32IN和OSC32OUT連接晶振電路提供的時(shí)鐘信號(hào)，在本開(kāi)發(fā)板使用的32.768kHz（LSE一般也使用32.768kHz）。

作用：驅(qū)動(dòng)RTC（一般用LSE驅(qū)動(dòng)RTC，因?yàn)镽TC內(nèi)部可以達(dá)到32768分頻，故產(chǎn)生的計(jì)數(shù)頻率為1Hz）

補(bǔ)充：LSE的時(shí)鐘可以通過(guò)MCO1引腳輸出，用于測(cè)試外部低速晶振電路是否正常。

3.HSI，高速內(nèi)部時(shí)鐘（位于圖片中心，用紫線(xiàn)標(biāo)記），時(shí)鐘來(lái)源是MCU內(nèi)部的RC振蕩電路，頻率為16MHz。

作用：提供芯片的主頻（16MHz）, 也可以為PLL提供時(shí)鐘輸入。

補(bǔ)充：HSI的時(shí)鐘可以通過(guò)MCO1引腳輸出，用于測(cè)試內(nèi)部高速振蕩電路是否正常。

4.HSE，高速外部時(shí)鐘（位于圖片左下，用粉線(xiàn)標(biāo)記），時(shí)鐘來(lái)源是MCU的OSC_IN和OSC_OUT連接晶振電路提供的時(shí)鐘信號(hào)，在本開(kāi)發(fā)板使用的25MHz。

作用：驅(qū)動(dòng)RTC ， 提供芯片的主頻（25MHz） ，也可以為PLL提供時(shí)鐘輸入。

補(bǔ)充：HSE的時(shí)鐘可以通過(guò)MCO1和MCO2引腳輸出，用于測(cè)試外部高速晶振電路是否正常。

5.PLL，鎖相環(huán)路時(shí)鐘（位于圖片左下，用紅線(xiàn)標(biāo)記），時(shí)鐘來(lái)源是HSI或HSE。

作用：放大時(shí)鐘來(lái)源的頻率，提供芯片主頻（又稱(chēng)系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK）。

Part 3

MCU系統(tǒng)時(shí)鐘（主頻）的計(jì)算

考慮到常規(guī)使用STM32時(shí)，不會(huì)直接使用HSI和HSE作為芯片的主頻（數(shù)值較?。话愣际怯肏SE作為PLL的時(shí)鐘輸入，再用PLL時(shí)鐘輸出作為MCU的主頻。

結(jié)合上圖左下角PLL部分框圖中出現(xiàn)的系數(shù)，可以得到MCU主頻為：

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

故說(shuō)明MCU的主頻受到外部晶振電路的頻率以及PLL時(shí)鐘電路中的M、N、P的影響。筆者以自己使用的開(kāi)發(fā)板（信盈達(dá)公司的STM32F407ZG開(kāi)發(fā)板）為例，做進(jìn)一步的說(shuō)明。

電路上，用于連接HSE的晶振電路是25MHz，如下圖所示。

故公式中f ~ HSE~數(shù)值為25MHz，另外三個(gè)參數(shù)M、N、P是通過(guò)編程配置的，定義于文件system_stm32f4xx.c中（這個(gè)文件是由STM32廠商提供，是建立工程的必要文件之一）。

可以看到其中M為25，N為336，P為2。代入公式

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

計(jì)算出芯片的主頻為168MHz。如果開(kāi)發(fā)板上使用的外部晶振電路被替換為8MHz，則需要更改程序中出現(xiàn)的PLL_M的值，將它由25修改為8后，才可以保證MCU繼續(xù)維持168MHz的主頻。

總結(jié)：一款MCU的主頻的設(shè)置取決于兩方面：硬件電路設(shè)計(jì)（特別是MCU外部的晶振電路）和軟件設(shè)計(jì)（關(guān)于PLL時(shí)鐘相關(guān)的分頻和倍頻系數(shù)，通過(guò)程序設(shè)置）。但這一切歸根結(jié)底，還是在于能否正確理解一款芯片時(shí)鐘樹(shù)！

留給讀者的思考，下圖為STM32F1xx時(shí)鐘樹(shù)，找出它的各個(gè)時(shí)鐘源的來(lái)源和流向，分析各自的作用。并思考STM32F1xx系列芯片在時(shí)鐘上和STM32F4xx系列芯片有何不同。