STM32H7时钟

上图主要列出了 STM32H743 时钟的组成和走向，并没有给出具体外设时钟的设置方法，
外设时钟通过 SCGU（System Clock Generation Unit）、SCEU（System Clock Eable Unit）、PKSU（Peripheral Kernel clock Selection Unit）和 PKEU（Peripheral Kernel clock Enable Unit）等部分设置，这些内容我们待会再介绍。
我们挑选出 10 个重要的地方进行介绍（图 中标出的①~⑩）。
① 低速时钟源，包括 LSI 和 LSE 两个，LSI 属于 STM32H7 内部低速时钟源，频率约为 32Khz。LSE 则是外部低速时钟源，为 32.768Khz（使用 32.768Khz 外部晶振）。这两个时钟
源一般用于看门狗和 RTC。
② 高速时钟源，包括：HSE、HIS、CSI 和 HSI48。HSE 是外部高速时钟，我们使用 25M的外部晶振，所以 HSE 频率为 25Mhz；HSI 是内部高速时钟，频率为 64Mhz；CSI 是低功耗内部时钟，频率为 4Mhz；HSI48 是内部高精度时钟源，频率为 48Mhz，配合 CRS 可以直接作为 USB的时钟源使用。
③ PLL1~3 的时钟源选择器，我们一般选择 PLL 时钟源来自 hse_ck，一般为 25Mhz。
① PLL1 时钟源预分频器，用于对第③步选择的时钟源进行分频，取值范围是：2~63，根据实际需要设置。DIVM2 和DIVM3 分别用于 PLL2 和 PLL3 的预分频器。
② PLL1 锁相环，该 PLL 主要用到两路输出：pll1_p_ck 和 pll1_q_ck，其中：pll1_p_ck一般用于 sys_ck 的时钟源，最终作为 CPU、SysTick、AXI、AHB1~4 和 APB1~4 等的时钟源；
而 pll1_q_ck 则可以通过 PKSU 选择作为部分外设的内核时钟（perx_ker_ck），如 FMC、QSPI、SDMMC1/2 等，详见《STM32H7xx 参考手册》335 页，Table 51。至于图中的 pll1_r_ck，并没有用到。

图中，DIVN1 是主 PLL1 vco 的倍频系数，其取值范围是：4~512；DIVP1 是 PLL1 的 P 分频，用于得到 pll1_p_ck 的频率，其取值范围是：2、4、6…128（必须是偶数）；DIVQ1 是 PLL1的 Q 分频，其取值范围是：1~128；DIVR1 则没有用到；FRACN1 是分数倍频系数，它和 DIVN1一起组成 PLL1 的倍频系数，但是我们一般并不需要用到分数倍频，因此不做介绍。同样的，PLL2 和 PLL3 也有类似的设置（倍频系数 N，分频值 P/Q/R），我们不再赘述。这里以 pll1_p_ck为例，简单介绍下 PLL 输出频率的计算公式（时钟 PLL 输入频率为 hse_ck）：

假设外部晶振为 25Mhz，我们需要得到 400Mhz 的 pll1_p_ck 频率，则可以设置：DIVM1=5，DIVN1=160，DIVP1=2 即可。其他分频输出（pll1_q_ck/pll1_r_ck）计算方法与上式相似。
③ sys_ck 时钟选择器，可以选择 sys_ck 的时钟来自：hsi_ck、csi_ck、hse_ck 或 pll1_p_ck等，在 PLL1 还没设置好的时候，系统默认是选择 hsi_ck（64Mhz）作为时钟源的，当 PLL1 配置好以后，则系统时钟可以切换为plll1_q_ck（400Mhz），以得到最高性能。
④ SCGU（System Clock Generation Unit，系统时钟生成单元），用于将 sys_ck 分成各种时钟频率，比如：CPU 频率、SysTick、AXI、AHB1~4 和 APB1~4 等，待会详细介绍。
⑤ SCEU（System Clock Eable Unit，系统时钟使能单元），用于使能各个外设、总线等的时钟，是一个时钟开关。待会详细介绍。
⑥ PKSU（Peripheral Kernel clock Selection Unit，外设内核时钟选择单元），用于选择部分外设的内核时钟源，STM32H7 内部，很多外设都可以自由选择内核时钟来源，从而提高使用的灵活性，具体的选择关系，详见《STM32H7xx 参考手册》335 页，Table 51。待会详细介绍。
⑦ PKEU（Peripheral Kernel clock Enable Unit，外设内核时钟使能单元），用于使能部分外设的内核时钟，从而控制外设内核时钟的开/关。待会详细介绍。
SCEU 和 PKEU，一个用于控制外设的访问时钟（访问寄存器），一个用于控制外设的内核时钟（生成控制时序，如波特率等）。但是，并不是所有的外设都需要用到 PKEU，因为有些外设并不需要生成时序，没有所谓的外设内核时钟，比如 DMA、OPAMP 等，这些外设只需要在SCEU 进行使能即可。
图 5.2.2.1 我们就介绍到这，其他未做介绍的部分，请大家参考《STM32H7xx 参考手册》317 页，7.5 节进行学习。
接下来，我们介绍系统时钟生成图（非常重要），如图 4.3.1.2 所示；

上图主要列出了 STM32H743 系统时钟的生成原理，包括 CPU 时钟、SysTick 时钟、AXI时钟、AHB1~4 和 APB1~4 等，这些时钟对整个系统运行来说非常重要，所以该图必须要看懂。
图中，D1、D2 和 D3 域是 ST 为了支持动态能效管理，所设计的 3 个独立的电源域，每个
域都能独立开启/关闭。系统时钟由 SCGU 产生，然后经过 SCEU 做开关，最终输出到各个时钟
域（D1、D2 和 D3），从而能够控制和访问各类外设，保证系统的正常运行。
图中，我们挑选出 8 个重要的地方进行介绍（图中标出的①~⑧）：
① SCGU 输入时钟（sys_ck），该时钟我们一般选择来自 pll1_p_ck，频率为 400Mz。
② sys_d1cpre_ck 时钟的分频系数，取值范围为 1~512，通过 RCC_ D1CFGR 寄存器的D1CPRE[3:0]位设置，我们一般设置为 1 分频，以得到最高的 sys_d1cpre_ck 频率，400Mhz。
③ CPU 时钟（rcc_c_ck、rcc_fclk_c），CPU 时钟是直接来自 sys_d1cpre_ck，没有分频器，频率为 400Mhz。
④ SysTick 时钟分频器（固定 8 分频），这个在图中是有错误的，实际上这个分频器是没有的（硬件 bug），因此 SysTick 的时钟频率，直接来自 sys_d1cpre_ck，频率为 400Mhz。
⑤ 系统时钟使能单元（SCEU），它能够对 D1、D2 和 D3 域内的所有外设时钟进行开/关控制，所以在使用外设的时候，必须设置 SCEU，使能其时钟，否则外设无法使用。这里所谓的
SCEU 设置，实际上就是通过 AHB1ENR 之类的寄存器设置的。
⑥ D1 域，是高性能域，CPU 可以从 TCM 和 Cache 中提取紧急的或优先级较高的用户程序，在 400M 的主频下执行，确保实现最快速响应。此域包括：CPU、SysTick、AXI、AHB3 和 APB3等时钟部分。
⑦ D2 域，通信接口域，主要进行数据通信工作，减轻 CPU 的负担。此域包括：AHB1、AHB2、APB1 和 APB2 等时钟部分。 注意：定时器的时钟都是在 D2 域进行控制，而且当 D2PPRE1或 或 D2PPRE2 的分频系数不为 1 的时候，定时器的时钟频率为 rcc_pclk1 或 rcc_pclk2 的 的 2 倍，详见《STM32H7xx 参考手册》331 页，Table 48 。
⑧ D3 域，数据批处理域，此部分中的 ADC 可以在整个系统深度休眠时仍然进行数据处理。在电池驱动的情况下，D3 可以保证在低功耗条件下仍然进行必要的数据处理工作。此域包括 AHB4 和 APB4 等时钟部分。
最后，我们看看外设时钟使能框图，如图所示：

图中，PERx（perx）代表外设 x（x 是 STM32H7 内部的外设，比如 USART、TIM、SPI等），通过此图，我们可以可以知道 STM32H7 内部外设时钟的由来。
图 中，我们挑选出 8 个重要的地方进行介绍（图 v 中标出的①~⑧）：
① 系统时钟生成器（SCGU），此部分在图 4.3.1.2 我们进行了详细介绍，这里通过 SCGU产生了三大总线时钟：rcc_bus_d1_ck、rcc_bus_d2_ck、rcc_bus_d3_ck，这些时钟实际上是指AHB1_{4（rcc_hclk1}4）、APB1_{4（rcc_pclk1}4）等时钟。
② 系统时钟使能单元（SCEU），此部分将①处生成的时钟进行使能/禁止操作，最终控制是否输出时（rcc_perx_bus_ck）给外设。
③ 总线接口时钟控制逻辑（busif Control Logic），用于控制 SCEU 是否输出时钟给外设，它有很多控制信号，其中我们常用的是 PERxEN（图中红圈圈出部分），通过这个位的设置
就可以控制具体外设的时钟开/关。
④ 外设总线时钟（rcc_perx_bus_ck），该时钟主要用于访问外设寄存器，对外设进行设置。任何外设都必须使能该时钟才可以正常使用。
⑤ 外设内核时钟选择单元（PKSU，即：Peripheral Kernel clock Selection Unit），用于选择某个外设的内核时钟来源，具体的选择关系，详见《STM32H7xx 参考手册》335 页，Table 55。
⑥ 外设内核时钟使能单元（PKEU,即：Peripheral Kernel clock Enable Unit），此部分将⑤处选择的外设内核时钟进行使能/禁止操作，最终控制是否输出内核时钟（rcc_perx_ker_ck）给外设。
⑦ 内核时钟控制逻辑（Kernel Control Logic），用于控制 PKEU 是否输出内核时钟给外设，它有很多控制信号，其中我们常用的是 PERxEN（图中红圈圈出部分），通过这个位的设置就可以控制具体外设内核时钟的开/关。注意：③和⑦，都可以通过 PERxEN 控制使能。
⑧ 外设内核时钟（rcc_perx_ker_ck），该时钟用于驱动外设产生时序，如波特率、时钟脉冲等。大部分外设都需要用到 rcc_perx_ker_ck，比如串口、SPI、IIC、FMC、SAI、LTDC 和CAN 等，但是，并不是所有的外设都需要用内核时钟来产生时序，比如：OPAMP、DMA 等。因此，大部分外设的使用，需要同时用到外设总线时钟（rcc_perx_bus_ck）和外设内核时钟（rcc_perx_ker_ck），一般情况下，这两个时钟都是由 PERxEN 控制使能。至于哪些外设有内核时钟，请参考：《STM32H7xx 参考手册》335 页，Table 55。关于 STM32H7xx 时钟的详细介绍，请参考《STM32H7XX 参考手册》第 8.5 节，有不明白的地方，可以对照手册仔细研究。另外，对于 STM32H7xx 芯片，具体哪个外设是连接在哪个
时钟总线上，以及对应的时钟总线最高主频是多少，请参考 STM32H743IIT6 数据手册（A 盘→7，硬件资料→2，芯片资料→STM32H743IIT6.pdf），Figure 1. STM32H743xI block diagram。最后，提醒下大家，STM32H743 默认的情况下（比如串口 IAP 时或未初始化时钟时），使用的是内部 64M 的 HSI 作为时钟的，所以不需要外部晶振也可以下载和运行代码的。
通过以上内容的介绍，我们知道 STM32H743 的时钟设计的比较复杂，各个时钟基本都是可控的，任何外设都有对应的时钟控制开关，这样的设计，对降低功耗是非常有用的，不用的外设不开启时钟，就可以大大降低其功耗。