《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第八章 APM32E103时钟系统介绍
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第八章 APM32E103时钟系统介绍
MCU都是基于时序控制的系统，本章将为APM32E103的时钟系统作一个简单的介绍，帮助读者更全面、系统地认识APM32E103的时钟系统结构，并掌握APM32E103的时钟配置。
本章分为如下几个小节：
8.1 认识时钟树
8.2 配置系统主频
8.3 开启和关闭外设时钟
8.1 认识时钟树
从数字电路的知识可以知道：任意复杂的电路控制系统都可以经由门电路组成的组合电路实现。APM32内部也是由多种多样的电路模块组合在一起实现的。若一个电路越复杂，在达到正确的输出结果前，它可能因为延时会有一些短暂的中间状态，而这些中间状态有时会导致输出结果会有一个短暂的错误，这叫做电路中的“毛刺现象”，如果电路需要运行得足够快，那么这些错误状态会被其它电路视为输入采样，最终形成一系列的系统错误。为了解决这个问题，在单片机系统中，设计时以时序电路控制替代纯粹的组合电路，在每一级输出结果前对各个信号进行采样，从而使得电路中某些信号即使出现延时也可以保证各个信号的同步，可以避免电路中发生的“毛刺现象”，达到精确控制输出的效果。
由于时序电路的重要性，因此在MCU设计时就设计了专门用于控制时序的电路，在芯片设计中称为时钟树设计。由此设计出来的时钟，可以精确控制单片机系统，这也是本小节要展开分析的。为什么是时钟树而不是时钟呢？一个MCU越复杂，时钟系统也会相应的变得复杂，如APM32E103的时钟系统就相对复杂，不像简单的51单片机，一个系统时钟就可以解决一切。对于APM32E103系列的芯片，正常工作的主频可以达到120MHz，但并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如独立看门狗和RTC只需要40KHz的时钟频率以及32.768KHz的时钟频率即可工作。同一个电路，时钟频率越快功耗就越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的MCU一般都是采取多时钟的方法来解决这些问题。
APM32本身相对复杂，外设资源非常丰富，为了保证低功耗，APM32上电或复位后默认不开启这些外设功能，即不为这些外设提供时钟。用户可以根据自己的需要决定APM32芯片要使用的功能，即为这些外设提供时钟，同时也要配置时钟源和时钟的频率。
图8.1.1 APM32E103时钟树
上图就是APM32E103的时钟树框图
①：该部分是四个时钟源，分别为：LSI（内部低速时钟）、LSE（外部低速时钟）、HSI（内部高速时钟）、HSE（外部高速时钟），这四个时钟源是整个时钟树的“源头”。
②：该部分为PLL（锁相环），这一部分内部是较为复杂的模拟电路，主要用于对输入的时钟信号倍频后输出，输入的时钟源可以来自HSI/2、HSE或者HSE/2。
③：该部分主要用于选择系统时钟的时钟源，从图中可以看出，该选择器的输入有HSE、HSI和PLL1，输出作用于SYSCLK，而SYSCLK通过AHB Prescaler分频后输出，该输出将直接或间接地作为AHB、APB1和APB2总线上外设的时钟源，其中FCLK就是MCU内核的时钟，这部分对整个系统的运行起着至关重要的作用。
④：AHB Prescaler分频后的时钟再通过APB1 Prescaler和APB2 Prescaler分频后分别作为APB1和APB2总线上外设的时钟。
8.1.1 时钟源
APM32E103有四个时钟源，分别为：LSI（内部低速时钟）、LSE（外部低速时钟）、HSI（内部高速时钟）、HSE（外部高速时钟）。按低速时钟源和高速时钟源可分为LSI、LSE和HSI、HSE，按内部时钟源和外部时钟源可分为LSI、HSI和LSE、HSE，其中内部时钟源LSI和HSI是MCU芯片内部的时钟源，芯片上电后即可输出时钟，无需借助外部电路。
①：外部高速时钟HSE（High Speed External Clock）
该时钟信号由外部晶体、陶瓷谐振振荡器或外部时钟源产生，频率范围为4MHz~16MHz，正点原子APM32E103最小系统板使用频率为8MHz的晶体振荡器产生该时钟信号。
②：外部低速时钟LSE（Low Speed External Clock）
该时钟信号由外部晶体、陶瓷谐振振荡器或外部时钟源产生，频率为32.768KHz，主要作为RTC的时钟源，正点原子APM32E103最小系统板使用频率为32.768KHz的晶体振荡器产生该时钟信号。
③：内部高速时钟HSI（High Speed Internal Clock）
该时钟信号由内部RC振荡器产生，频率为8MHz。
④：内部低速时钟LSI（Low Speed Internal Clock）
该时钟信号由内部RC振荡器产生，频率为36KHz~51KHz（受温度、电压影响），主要作为独立看门狗或RTC的时钟源。
MCU上电时默认会使用HSI作为系统时钟启动，只有完成了相关的时钟配置，MCU才会根据配置切换到对应的时钟源，因此同时了解这几个时钟源是很有必要的，下文将会有提到时钟配置方法的章节。
8.1.2 锁相环
锁相环（PLL）是自动控制系统中常用的一个反馈电路，在APM32主控中，锁相环主要有对输入时钟进行净化和倍频这两个作用，前者是利用锁相环电路的反馈机制实现的，后者是用于使APM32主控稳定地工作于更高的时钟频率。
在APM32中，锁相环的输出时钟可以配置为系统时钟的时钟源，如下图所示：
图8.1.2.1 PLL输出时钟作为系统时钟示例
上图说明了APM32锁相环的输出时钟配置为系统时钟的时钟源的一个过程。首先，从最左侧的OSC_OUT和OSC_IN开始，这两个引脚分别连接到外部晶振的两端（就是HSE的时钟信号）。其次，紧跟着箭头方向遇到了第一个分频器PLLHSEPSC。在这个分频器中，我们可以选择设置不分频（或者叫1分频）或选择2分频（/2），这里我们选择不分频。然后，跟着箭头往下走遇到一个开关PLLSEL，这个开关可以选择HSE或者HIS作为其时钟输出，这里我们选择HSE作为时钟输出，紧接着我们便遇到了锁相环PLL（也叫倍频器），其倍频系数可以选择2到16，另外根据APM32数据手册我们可以知道HSECLK振荡器频率的典型值为8MHz，因此得到设置的倍频因子为15，也就是说时钟频率为原来的15倍，经过倍频后的时钟为PLLCLK，也就是120MHz。
我们通过上面这一过程较为直观的了解到了APM32锁相环输出时钟配置为系统时钟的过程，下面我们将通过配置寄存器的方式来加深我们对这一过程的理解，如下表所示：
表8.1.2.1 PLL配置寄存器PLLHSEPSC位
上面过程中基本可以通过设置时钟配置寄存器（RCM_CFG）来完成。当该位写入0时，则选择设置不分频；该位写入1时，则选择设置2分频。
表8.1.2.2 PLL配置寄存器PLLSRCSEL位
上面这一过程同样可以通过设置时钟配置寄存器（RCM_CFG）来完成。当该位写入0时，则选择HSICLK（内部高速时钟）经过2分频后作为时钟源；该位写入1时，则选择HSECLK（外部高速时钟）作为时钟源。
表8.1.2.3 时钟配置寄存器SCLKSEL位
SCLKSEL位用于选择SYSCLK的时钟源，可配置HSICLK、HSECLK或PLLCLK作为SYSCLK的时钟源。对于示例，将该位写入2，即可选择频率为120MHz的PLLCLK作为SYSCLK时钟源。
8.1.3 系统时钟
APM32的系统时钟（SYSCLK）为整个芯片的绝大多数外设和内核提供时钟信号，对于相同稳定运行的系统，时钟信号的频率越高，系统运行的速度也就越快，单位时间能够处理的事务也就越多。在上一小节中，将频率为8MHz的HSE时钟信号通过PLL倍频为120MHz的时钟信号作为SYSCLK的时钟源。SYSCLK时钟信号可直接或间接地作为AHB总线、APB1总线、APB2总线和内核的时钟源。
图8.1.3.1 各总线和内核时钟配置示例
①：USBDCLK：即USB时钟。USB时钟是由PLLCLK经过USB预分频器得到，其时钟频率通常为48MHZ，由于其对时钟要求较高，所以USB时钟只能是由HSE倍频得到，不能使用HSI倍频。
②：Cortex System Clock：即Cortex系统时钟。Cortex 系统时钟由 HCLK 8 分频得到，等于15MHz，Cortex 系统时钟用来驱动内核的系统定时器 SysTick，SysTick一般用于操作系统的时钟节拍，也可以用做普通的定时。
③：HCLK：即AHB时钟。AHB时钟的全称是Advanced High-Performance Bus，即高性能时钟总线，其时钟频率最大为120MHz，主要用于高性能模块（如CPU、DMA、DSP）之间的链接，即当调用这项模块时需要开启AHB时钟。
④：APB1总线时钟：低速总线时钟，时钟信号来源于输入的AHB时钟信号再经APB1预分频后输出，APB1的分频系数可选1,2,4,8,16 ，最大时钟频率为60MHz，在APM32E103中通常用于驱动DAC、CAN、USB、I2C、USART2/3(UART)、SP12/SP13、基本定时器和通用定时器等系统外设。
⑤：APB2总线时钟：高速总线时钟，与APB1总线时钟工作原理类似，时钟信号来源于输入的AHB时钟信号再经APB2预分频后输出，APB2的分频系数可选1,2,4,8,16，最大时钟频率为120MHz，该时钟信号通常用于驱动ADC、USART1、SPI1、高级定时器、GPIO、EXTI、AFIO等系统外设。
8.2 配置系统主频
APM32E103在默认情况下，使用频率为8MHz的HSI作为系统时钟的时钟源，因此无需外部晶振也能够正常烧录和运行程序。
在上一小节中，介绍了如何配置时钟树，以让内核在120MHz的主频下运行，120MHz是Geehy官方针对APM32E103推荐的最大工作频率。
本节将介绍如何在代码中具体的对APM32E103的时钟进行配置。本书配置实验例程都是在main()函数中调用sys_apm32_clock_init()对APM32E103的时钟进行配置的，如下所示：
int main(void)
{
/* 省略其它无关的代码 */
sys_apm32_clock_init(15); /* 配置系统时钟 */
/* 省略其它无关的代码 */
}
相信读者对sys_apm32_clock_init()函数传入的参数并不陌生，这就是在上一小节示例中配置相关寄存器中PLL的倍频因子（倍频系数）15。
sys_apm32_clock_init()函数的代码比较多，请读者在实验例程中查看本函数的具体实现，本小节中列出该函数的关键代码，如下所示：
uint8_t sys_apm32_clock_init(uint32_t plln)
{
RCM_Reset(); /* 复位RCM */
RCM_ConfigHSE(RCM_HSE_OPEN); /* 使能外部高速时钟 */
if (RCM_WaitHSEReady() != SUCCESS) /* 等待HSECLK稳定 */
{
return 1;
}
FMC_EnablePrefetchBuffer(); /* 使能Flash预取缓冲区 */
FMC->CTRL1_B.WS = 4; /* 设置Flash访问等待周期个数为4个 */
RCM_ConfigAHB(RCM_AHB_DIV_1); /* 设置AHB时钟的预分频系数为1 */
RCM_ConfigAPB2(RCM_APB_DIV_1); /* 设置APB2时钟的预分频系数为1 */
RCM_ConfigAPB1(RCM_APB_DIV_2); /* 设置APB1时钟的预分频系数为2 */
RCM_ConfigPLL(RCM_PLLSEL_HSE, (RCM_PLLMF_T)(plln - 2)); /* 配置PLL */
RCM_EnablePLL(); /* 使能PLL */
while (RCM_ReadStatusFlag(RCM_FLAG_PLLRDY) == RESET); /* 等待PLL时钟就绪 */
RCM_ConfigSYSCLK(RCM_SYSCLK_SEL_PLL); /* 选择PLL1CLK作为系统时钟 */
while (RCM_ReadSYSCLKSource() != RCM_SYSCLK_SEL_PLL);/* 等待系统时钟配置成功 */
return 0;
}
跟上一小节介绍的一致，AHB、APB2和APB1总线的预分频器分别配置为不分频、不分频和2分频；根据函数的传入参数配置PLL配置寄存器中PLL的值，并将PLL的时钟源配置为HSE；将PLL1CLK配置为SYSCLK的时钟源。上面列出的代码仅是一些关键代码，除了列出代码的操作外还需要一些额外的操作，例如使能HSE并等待HSE稳定等，建议读者打开本书配套的任意实验例程，在sys.c文件中详细地查看本函数的具体实现。
通过sys_apm32_clock_init()函数就能够非常方便地配置系统主频了，例如，在考虑对MCU的性能需求和功耗的场景中，可以适当降低MCU的主频，来达到性能和功耗的平衡。
8.3 开启和关闭外设时钟
在前面的章节中，分析了APM32E103的时钟系统和相关的配置步骤，但是在使用某些外设之前，还需要手动开启相应外设的时钟，这是因为MCU在上电或复位后会默认关闭大部分外设的时钟，以降低功耗，因此，在程序开发中，对于某些开启的时钟但不再使用的外设，也应将其时钟关闭。
APM32E103外设的时钟由RCM（Reset and Clock Management，复位与时钟管理）控制，RCM中控制外设时钟的寄存器被按总线进行分类，涉及了三个寄存器，如下表所示：
表8.3.1 RCM中控制外设时钟的寄存器
其中RCM_AHBCLKEN是用于控制AHB总线上外设的时钟的；RCM_APB1CLKEN用于控制APB1总线上外设的时钟；RCM_APB2CLKEN用于控制APB2总线上外设的时钟。
下面以GPIOA为例，介绍如何配置RCM中相应的寄存器来开启或关闭GPIOA的时钟。首先要确定GPIOA是在AHB总线、APB1总线还是APB2总线上，这里可以借助APM32E103的地址映射来判断，APM32E103的地址映射图，如下图所示：
图8.3.1 APM32E103地址映射图
从上图中可以看出，Port A~Port G都是APB2总线上的外设，那么就能够确定了GPIOA是位于APB2总线上的外设。
因为在APM32E103中RCM控制外设时钟的寄存器只有三个，所以也很容易确定RCM_APB2CLKEN寄存器就是控制GPIOA时钟的寄存器。在RCM_APB2CLKEN寄存器中可以找到PAEN位，该位就是用于控制GPIOA外设时钟使能和禁止的，如下表所示：
表8.3.2 RCM_APB2CLKEN寄存器PAEN位
由上图可知，往RCM_APB2CLKEN寄存器的PAEN位写入1后，就能配置使能GPIOA外设的时钟，往RCM_APB2CLKEN寄存器的PAEN位写入0后，就能配置禁止GPIOA外设的时钟。
在Geehy的标准库中提供了开启和关闭总线外设时钟的函数（函数的实现在apm32e10x_rcm.c文件中，调用时需包含apm32e10x_rcm.h的头文件），如下所示：
void RCM_EnableAHBPeriphClock(uint32_t AHBPeriph);
void RCM_DisableAHBPeriphClock(uint32_t AHBPeriph);
void RCM_EnableAPB2PeriphClock(uint32_t APB2Periph);
void RCM_DisableAPB2PeriphClock(uint32_t APB2Periph);
void RCM_EnableAPB1PeriphClock(uint32_t APB1Periph);
void RCM_DisableAPB1PeriphClock(uint32_t APB1Periph);
那这些函数需要传入那些参数呢？
在apm32e10x_rcm.h文件中，通过枚举列出了大部分的外设，如下所示：
/**
* @brief AHB2 peripheral
*/
typedef enum
{
RCM_APB2_PERIPH_AFIO = BIT0,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOA = BIT2,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOB = BIT3,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOC = BIT4,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOD = BIT5,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOE = BIT6,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOF = BIT7,
RCM_APB2_PERIPH_GPIOG = BIT8,
RCM_APB2_PERIPH_ADC1 = BIT9,
RCM_APB2_PERIPH_ADC2 = BIT10,
RCM_APB2_PERIPH_TMR1 = BIT11,
RCM_APB2_PERIPH_SPI1 = BIT12,
RCM_APB2_PERIPH_TMR8 = BIT13,
RCM_APB2_PERIPH_USART1= BIT14,
RCM_APB2_PERIPH_ADC3 = BIT15
} RCM_APB2_PERIPH_T;
因为GPIOA的外设时钟由RCM_APB2CLKEN寄存器中的PAEN位控制，因此调用函数RCM_EnableAPB2PeriphClock ()并传入参数RCM_APB2_PERIPH_GPIOA就能够开启GPIOA的外设时钟了，同样的若要关闭GPIOA的外设时钟，则调用函数RCM_DisableAPB2PeriphClock()并传入参数RCM_APB2_PERIPH_GPIOA即可。
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