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时钟系统

什么是时钟

时钟在电子和计算机系统中指的是生成周期性信号的电路或设备，这种周期性信号用于同步系统内的各种操作。时钟信号通常是方波，具有固定的频率和周期，在数字电路中尤为重要。以下是时钟的详细说明：

1. 时钟的基本概念
   周期 (Period)：时钟信号重复一次所需的时间，通常以秒（s）或其子单位（如毫秒ms、微秒μs、纳秒ns）表示。
   频率 (Frequency)：时钟信号每秒钟重复的次数，以赫兹 (Hz) 为单位，频率是周期的倒数。例如，1 MHz 表示每秒钟有 1,000,000 个时钟周期。
   占空比 (Duty Cycle)：时钟信号在一个周期内处于高电平的时间与周期总时间的比值，通常以百分比表示。
2. 时钟的作用
   同步操作：在数字系统中，不同的模块和电路需要在同一时间执行操作。时钟信号提供了一个共同的时间基准，确保各个模块同步运行。
   数据采样：时钟信号用来控制数据的采样和传输，例如在寄存器中写入或读取数据。
   时序控制：通过时钟信号，可以精确控制系统中各个操作的时序，确保数据处理的正确性。

时钟树

以STM32F103C8T6为例，先看产品手册中的时钟树很懵逼

简化图示

类比示例

单片机的总线矩阵相当于电脑的主板，
单片机的Cortex-M3内核相当于电脑的CPU，
Flash是相当于电脑的硬盘，单面机的RAM相当于电脑的内存条，
单片机的AHB总线相当于向PCLe插槽，APB1和APB2转换桥相当于PCLe转USB板卡，
单片机的APB2总线相当于USB3.0。
单片机的APB1总线相当于USB2.0，
而挂载在总线上的各种各样的模块，就相当于摄像头、麦克风、移动硬盘、鼠标、键盘等这些外部源的设备。

时钟树详解

时钟源

STM32F103C8T6 支持多种时钟源，包括：

• 高频外部晶振 (HSE)：通常用于高精度的外部晶振，可以是 4-16 MHz。
• 低频外部晶振 (LSE)：用于低功耗应用的外部晶振，频率通常为 32.768 kHz。
• 高频内部振荡器 (HSI)：内部 8 MHz 的振荡器。
• 低频内部振荡器 (LSI)：内部 40 kHz 的振荡器
• PLL (锁相环)：可以通过 HSE 或 HSI 提供倍频后的时钟信号。

系统时钟配置

系统时钟 (SYSCLK) 是整个芯片的主时钟源，可以选择 HSI、HSE 或 PLL 作为系统时钟源。选择过程如下：

• 选择 HSE 或 HSI 作为 PLL 的输入时钟源（如果使用 PLL）。
• 配置 PLL 的倍频系数，确保输出频率在允许的范围内（最高 72 MHz）
• 选择系统时钟源：可以选择 HSI、HSE 或 PLL。
• 配置 AHB、APB1 和 APB2 分频器，生成不同的外设时钟。

各总线时钟

• AHB 时钟 (HCLK)：由系统时钟 SYSCLK 通过 AHB 分频器提供，负责驱动内核、存储器和 DMA 等高速外设。
• APB1 时钟 (PCLK1)：通过 APB1 分频器从 HCLK 提供，驱动低速外设如 UART、I2C、SPI 等。
• APB2 时钟 (PCLK2)：通过 APB2 分频器从 HCLK 提供，驱动高速外设如 GPIO、ADC、TIM1 等。

外设时钟

1. 高速外设时钟 (APB2)
   APB2 总线用于驱动高速外设，包括 GPIO、ADC、TIM1、SPI1 等。这些外设的时钟源通常来自以下几个路径：
   PCLK2 (APB2 预分频器输出时钟)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
   系统时钟 (SYSCLK)：通过 PLL 或直接选择 HSI、HSE 作为系统时钟。
2. 低速外设时钟 (APB1)
   APB1 总线用于驱动低速外设，包括 UART、I2C、TIM2-7、SPI2、SPI3 等。这些外设的时钟源如下：
   PCLK1 (APB1 预分频器输出时钟)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
   系统时钟 (SYSCLK)：通过 PLL 或直接选择 HSI、HSE 作为系统时钟。
3. ADC 时钟
   ADC 外设的时钟可以由以下路径提供：
   PCLK2：通过 RCC_CFGR 中的 ADCPRE 分频配置，可以选择 PCLK2 的 2、4、6 或 8 分频。
4. USB 时钟
   USB 外设需要 48 MHz 的时钟，通常由 PLL 提供：
   PLL 输出时钟 (PLLCLK)：通过 PLL 配置获得 48 MHz 时钟，如果 PLL 的输入时钟为 8 MHz（HSI），则需要配置 PLL 的倍频系数为 6。
5. 实时时钟 (RTC)
   RTC 的时钟源可以是：
   低频外部晶振 (LSE)：通常为 32.768 kHz。
   低频内部振荡器 (LSI)：通常为 40 kHz。
6. 定时器时钟
   定时器的时钟源可以是：
   APB1 和 APB2 时钟 (PCLK1, PCLK2)：定时器时钟频率是由对应的 APB 时钟频率决定的，如果 APB 时钟进行了分频，定时器时钟可能会有 2 倍的频率。
7. SPI 时钟
   SPI 外设的时钟源为：
   PCLK2 (对于 SPI1)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
   PCLK1 (对于 SPI2, SPI3)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
8. UART/I2C 时钟
   UART 和 I2C 外设的时钟源为：
   PCLK1 (对于 UART2, UART3, I2C1, I2C2)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
   PCLK2 (对于 UART1)：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得。
9. GPIO 时钟
   GPIO 外设的时钟源为：
   PCLK2：通过 AHB 总线时钟 (HCLK) 分频获得