【STM32F407学习笔记】时钟树和SysTick精准延时_stm32f407时钟树

了解STM32的时钟配置，以及SystemInit();系统时钟初始化函数的配置流程，用SysTick定时器实现一个程序运行计时器，和精确毫秒级和微秒级延时。
涉及外设：RCC(复位时钟控制)、SysTick定时器

1. STM32时钟树

1.1 STM32时钟系统简介

时钟系统是CPU的“脉搏”。只有有了系统时钟单片机才会协调、稳定的工作。STM32F4的时钟系统比较复杂，不像简单的51单片机一个系统时钟就可以解决一切问题。

1.2 STM32时钟系统框图

STM32整个系统的时钟源、时钟流向等都放在这个时钟框图中

STM32F4可以有5个时钟源：

1. LSI：低速内部时钟，32kHz左右。供独立看门狗和内部唤醒单元使用。
2. LSE：低速外部时钟，32.768kHz。RTC的时钟源。
3. HSE：高速外部时钟，频率范围：4MHz~26MHz。可以直接作为系统时钟或者PLL输入。
4. HSI：高速内部时钟，RC振荡器，16MHz。可以直接作为系统时钟或者用作PLL输入。
5. PLL：锁相环倍频输出。STM32F4有两个PLL:
   • 主PLL由HSE或HSI提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟。
     第一个输出PLLP用于生成高速的系统时钟（最高100MHz）。
     第二个输出PLLQ用于生成USB OTG FS的时钟（48MHz），随机数发生器的时钟和SDIO时钟。
   • 专用PLL用于生成精确时钟，从而在I2S接口实现高品质音频性能。
     PLL锁相环内的参数怎么配置我们想要的时钟？计算公式如下：
     $$\begin{gathered} f_{\text{VCO时钟}}=f_{\text{PLL时钟输入}}\times (\text{PLLN}/\text{PLLM}) \\ {f}_{\text{PLL常规时钟输出}}=f_{\text{VCO时钟}}/\text{PLLP} \\ {f}_{\text{USB OTG FS,SDIO,RNG时钟输出}}=f_{\text{VCO时钟}}/\text{PLLQ} \end{gathered}$$
     PLL时钟输入：PLL的时钟源有两个HIS和HSE
     PLLM：输入时钟分频系数
     PLLN：VCO的主PLL的倍频系数
     $f_{\text{VCO时钟}}$:PLL锁相环时钟经PLLM分频和PLLN倍频后的时钟。
     PLLP：主系统时钟的主PLL分频系数。
     PLLQ：主PLL分频系数，适用于USB OTG FS，SDIO。
     $f_{\text{PLL常规时钟输出}}$：用于系统时钟选择，输出到系统时钟选择器。
     $f_{\text{USB、SDIO时钟输出}}$：用于USB OTG FS，SDIO等时钟。
     下面我们用这些来配置一下系统时钟：
     首先选择PLL的输入时钟为HSE（高速外部时钟），然后通过配置PLL环的PLLM、PLLN、PLLP等参数，将PLL时钟输出配置成100MHz，然后我们还需要将系统时钟选择器（SW）配置成选择PLLCLK输入，最后SYSCLK配置成100MHz：
     $$f_{\text{SYSCLK}}=f_{\text{HSE}}\times \text{PLLN}/\text{PLLM}\times \text{PLLP}=8\text{M}\times 400/4\times 8=100\text{MHz}$$
     系统时钟初始化配置在STM32标准库中已用函数封装好了，并且在系统启动文件里自动调用。

2. SysTick定时器

2.1 SysTick定时器简介

SysTick一系列定时器，是属于CortexM4内核中的一个外设，内嵌在NVIC中。系统定时器是一个24bit的向下递减的计数器。计数器每计数一次的时间为：1/SYSCLK。当重装载数值寄存器的值递减到0时，系统定时器产生一次中断，以此循环往复。
基础知识：$f$代表频率，单位是HZ（次/秒）；$T$代表周期，单位是s(秒)。
频率与周期：$f(Hz)=1/T(s)$，1Hz：1s；1KHz：1ms；1MHz：1us；100MHz：10ns
1 秒(s) = 1000 毫秒(ms)
1 毫秒(ms) = 1000 微秒(us)
1 微秒(us) = 1000 纳秒(ns)
SysTick定时器的工作原理图如下所示：

【例如】计数时钟使用系统时钟SYSCLK：100MHz，则计数一次的时间为：10ns，我们需要延时1us，则需要100次计数。需要延时1ms，则需要计数100 000次。

2.2 SysTick寄存器

SysTick是属于CortexM4的外设，所以有关寄存器的定义和配置函数都在core_m4.h文件中。SysTick一共有4个寄存器，见下表。其中定时器配置时只需要配置前三个寄存器，最后一个校准寄存器不需要配置。

• SysTick->CTRL
  
• SysTick->LOAD
  
• SysTick->VAL
  
  SysTick定时器功能框图如图所示：
  
  如图中所示：SysTick->VAL寄存器的值，每一个时钟周期（CLOCK）将会减一，如果SysTick->VAL被减到零时，SysTick->LOAD的值将会立即装载进入SysTick->VAL中；并且SysTick->CTRL寄存器的COUNTFLAG将会置1，如果使能了定时器中断，系统将会进入到SysTick的中断。延时原理：通过设置SysTick->LOAD和时钟周期的数值来确定延时时间。

3. 程序设计

首先需要初始化SysTick定时器，选择时钟源，以及设置计数器因子

static uint8_t fac_us=0; // 计数器因子
void Delay_init(uint8_t SysCLK)
{
	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8); // 设置SysTick时钟源：HCLK/8
	fac_us=SysCLK/8; // 设置计数器因子
}
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然后就是延时函数的编写，分别实现了ms和us的延时函数，在这里均使用查询的方式进行SysTick的延时，中断方式延时将在后续操作系统中讲解。

/// @brief nus延时
/// @param nus 延时的nus数
void delay_us(uint32_t nus)
{
	uint32_t temp;
	SysTick->LOAD=nus*fac_us-1; // 计数值加载
	SysTick->VAL=0x00; // 清空计数器
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; // 开始计数
	do
	{
		temp=SysTick->CTRL; // 读取控制寄存器状态
	}while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16))) // temp&0x01:定时器使能，!(temp&(1<<16)):定时器计数值不为0
	SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; // 关闭计数
	SysTick->VAL=0x00;// 清空计数器
}

/// @brief nms延时
/// @param nus 延时的ms数
void delay_ms(uint32_t nms)
{
	uint32_t repeat=nms/540;
	uint32_t remain=nms%540;
	while(repeat)
	{
		delay_us(540*1000); // 延时 540 ms
		repeat--;
	}
	if(remain)
	{
		delay_us(remain*1000); // 延时remain ms
	}
}
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