各位朋友在使用MCU進行開發(fā)時，是否有遇到過以下現(xiàn)象：將兩份同樣的程序下載到兩塊相同的MCU，最終運行時，發(fā)現(xiàn)其中一塊時序正常，而另一塊時序異常，無論是采用定時器延時 或 使用通信接口通信，都會發(fā)現(xiàn)時鐘速度不正常。別擔心，通過本次的學習，也許能解決問題！

本文將講解MCU中的時鐘樹，通過分析一款具體型號的MCU手冊，來說明MCU中的時鐘的來源以及其作用，分析時鐘樹對于編程的影響。

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

Part 1

時鐘樹介紹

單片機中的時鐘樹是什么？有什么作用？

筆者認為，時鐘樹是關注單片機的時鐘源和時鐘的流向的樹狀結構。單片機開發(fā)工程師通過分析一款單片機芯片的時鐘樹，可以獲取到這款芯片中的時鐘數(shù)目以及各時鐘作用。當芯片工作時序紊亂時，結合時鐘樹分析以及使用示波器等工具，就可以排查出問題的根源。

Part 2

STM32F4xx時鐘樹分析

本例以STM32F407ZG芯片為例來分析時鐘樹，此款芯片正常工作時主頻率為168MHz。打開此款芯片的參考手冊，找到時鐘樹的圖片。

Step1，找出此款STM32芯片中5個時鐘源：低速內(nèi)部時鐘LSI，低速外部時鐘LSE，高速內(nèi)部時鐘HSI，高速內(nèi)部時鐘HSE，鎖相環(huán)路時鐘PLL。找出他們后，關注這5個時鐘的來源和流向。

Step2，在圖中標注這5種時鐘源的來源和流向。

Step3，對于每個時鐘源逐個分析，逐個擊破！

1. LSI，低速內(nèi)部時鐘（位于圖片上方，用藍線標記），時鐘來源是MCU內(nèi)部的RC振蕩電路，頻率為32KHz。

作用：驅動獨立看門狗 ， 也可以驅動RTC（實時時鐘，本質還是一款定時器，一般不用LSI驅動RTC）

2.LSE，低速外部時鐘（位于圖片上方，用綠線標記），時鐘來源是MCU的OSC32IN和OSC32OUT連接晶振電路提供的時鐘信號，在本開發(fā)板使用的32.768kHz（LSE一般也使用32.768kHz）。

作用：驅動RTC（一般用LSE驅動RTC，因為RTC內(nèi)部可以達到32768分頻，故產(chǎn)生的計數(shù)頻率為1Hz）

補充：LSE的時鐘可以通過MCO1引腳輸出，用于測試外部低速晶振電路是否正常。

3.HSI，高速內(nèi)部時鐘（位于圖片中心，用紫線標記），時鐘來源是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提供時鐘輸入。

補充：HSI的時鐘可以通過MCO1引腳輸出，用于測試內(nèi)部高速振蕩電路是否正常。

4.HSE，高速外部時鐘（位于圖片左下，用粉線標記），時鐘來源是MCU的OSC_IN和OSC_OUT連接晶振電路提供的時鐘信號，在本開發(fā)板使用的25MHz。

作用：驅動RTC ， 提供芯片的主頻（25MHz） ，也可以為PLL提供時鐘輸入。

補充：HSE的時鐘可以通過MCO1和MCO2引腳輸出，用于測試外部高速晶振電路是否正常。

5.PLL，鎖相環(huán)路時鐘（位于圖片左下，用紅線標記），時鐘來源是HSI或HSE。

作用：放大時鐘來源的頻率，提供芯片主頻（又稱系統(tǒng)時鐘SYSCLK）。

Part 3

MCU系統(tǒng)時鐘（主頻）的計算

考慮到常規(guī)使用STM32時，不會直接使用HSI和HSE作為芯片的主頻（數(shù)值較小），一般都是用HSE作為PLL的時鐘輸入，再用PLL時鐘輸出作為MCU的主頻。

結合上圖左下角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

故說明MCU的主頻受到外部晶振電路的頻率以及PLL時鐘電路中的M、N、P的影響。筆者以自己使用的開發(fā)板（信盈達公司的STM32F407ZG開發(fā)板）為例，做進一步的說明。

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，另外三個參數(shù)M、N、P是通過編程配置的，定義于文件system_stm32f4xx.c中（這個文件是由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

計算出芯片的主頻為168MHz。如果開發(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：一款MCU的主頻的設置取決于兩方面：硬件電路設計（特別是MCU外部的晶振電路）和軟件設計（關于PLL時鐘相關的分頻和倍頻系數(shù)，通過程序設置）。但這一切歸根結底，還是在于能否正確理解一款芯片時鐘樹！

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