STM32F103VET6时钟系统设计：时钟电路的深度解析


参考资源链接：[STM32F103VET6 PCB原理详解：最小系统板与电路布局](https://wenku.csdn.net/doc/6412b795be7fbd1778d4ad36?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103VET6时钟系统概述

STM32F103VET6是ST公司生产的一款高性能ARM Cortex-M3微控制器，广泛应用于嵌入式系统。其时钟系统作为整个芯片的心脏，负责提供稳定可靠的时钟信号，确保微控制器以及外设的正常工作。

时钟系统是STM32F103VET6微控制器的重要组成部分，主要由内部时钟源、外部时钟源、PLL（相位锁定环）和时钟分频器等部分构成。通过灵活配置，用户可以为不同的应用场景提供最佳的时钟方案。

在深入探讨STM32F103VET6时钟系统的工作细节之前，本章首先将简要介绍时钟系统的基础知识，为读者建立必要的概念基础。接下来的章节将逐一详细介绍时钟源的种类、配置方法以及如何在实际项目中应用时钟系统。

- **内部时钟源**：包括内部高速时钟（HSI）和内部低速时钟（LSI），它们是时钟系统中的基本组成部分。
- **外部时钟源**：提供更为精确的外部高速时钟（HSE）和外部低速时钟（LSE），主要应对更复杂的应用需求。
- **PLL（相位锁定环）配置**：在保证时钟精度的同时，PLL可以对时钟信号进行倍频，以满足高速运行的需求。

通过了解这些核心组件，我们能够更好地把握时钟系统的工作原理和配置方式，从而在实际应用中实现最优的性能。

# 2. STM32F103VET6时钟源基础

### 2.1 内部时钟源

#### 2.1.1 内部高速时钟（HSI）

STM32F103VET6的内部高速时钟（HSI）是一个内置的RC振荡器，通常用于提供主时钟源或在外部晶振失效时作为备用时钟源。HSI的频率固定为8MHz，这是典型的值，因为不同型号的STM32设备可能会有不同的内部时钟频率。

HSI振荡器的主要优点是它能够在没有外部组件的情况下运行。这使得它非常适合于那些希望最小化外部组件数量的应用，尤其是在原型开发阶段。但是，HSI的准确性和温度稳定性并不如外部石英晶体振荡器。

// 示例代码：配置HSI作为系统时钟源
 RCC_HSICmd(ENABLE); // 启用HSI
 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSIRDY) == RESET) {} // 等待HSI就绪
 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI); // 将HSI设置为系统时钟源

在上述代码中，我们首先启用了HSI，并等待其稳定后，再将其配置为系统时钟源。这样的配置通常是单片机启动序列的一部分。

#### 2.1.2 内部低速时钟（LSI）

内部低速时钟（LSI）是一个由内部RC振荡器生成的低频时钟，通常用于独立的看门狗定时器（IWDG），以及其他需要低功耗和低频率时钟的功能。LSI的频率大约为37kHz，但这个值可能会因为制造过程和温度的变化而有所不同。

LSI振荡器的主要用途是在低功耗模式下维持设备的运行，或者在系统时钟出现故障时继续为看门狗提供时钟信号。LSI的稳定性比HSI要差，因此通常不推荐用作精确计时。

// 示例代码：配置LSI作为独立看门狗时钟源
 RCC_LSEConfig(RCC_LSE_OFF); // 确保外部低速时钟（LSE）关闭
 RCC_LSIConfig(RCC_LSI_ON); // 启用LSI
 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) == RESET) {} // 等待LSI就绪

在上述代码中，我们先确保外部低速时钟（LSE）是关闭状态，然后开启LSI，并等待其就绪。这是配置IWDG前的典型步骤。

### 2.2 外部时钟源

#### 2.2.1 外部高速时钟（HSE）

外部高速时钟（HSE）通常是指一个外部晶振或谐振器，用以提供一个高精度和高稳定性的时钟信号。STM32F103VET6支持最高达25MHz的外部晶振输入频率。

HSE的优点在于其高稳定性和精确度，使其成为需要高精度时钟的应用的理想选择。比如在需要精确时序或者高频通信的应用中，使用HSE可以提供可靠时钟源。

// 示例代码：配置外部高速时钟（HSE）
 RCC_LSEConfig(RCC_LSE_OFF); // 关闭外部低速晶振（LSE）
 RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); // 启用外部高速晶振（HSE）
 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET) {} // 等待HSE就绪
 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE); // 将HSE设置为系统时钟源

在这段代码中，我们首先关闭了LSE，然后启用HSE并等待其稳定。最后，我们将HSE设置为系统时钟源，以取代默认的HSI或LSI时钟源。

#### 2.2.2 外部低速时钟（LSE）

外部低速时钟（LSE）通常由32.768kHz的晶振提供，这种晶振因频率接近1Hz的倍数而在计时器和实时时钟（RTC）等应用中非常有用。由于其低频率，LSE能够在低功耗模式下工作，非常适合于提供低功耗时钟源。

// 示例代码：配置外部低速时钟（LSE）
 RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON); // 启用LSE
 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) == RESET) {} // 等待LSE就绪

在这个代码片段中，我们简单地启用了LSE，并等待其就绪。根据实际应用场景，LSE也可以配置为RTC的时钟源。

### 2.3 时钟源选择与切换

#### 2.3.1 时钟源的安全切换机制

STM32F103VET6提供了一套安全的时钟源切换机制，可以确保在切换时钟源时，系统的时钟不会出现任何中断。这意味着无论何时切换时钟源，系统都能够持续运行，并且在切换过程中不会产生不可预测的系统行为。

安全切换时钟源的关键在于使用正确的寄存器操作序列，以及确保在切换之前，目标时钟源已经被稳定和同步。

// 示例代码：安全切换到HSE
 while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x01) {} // 确保当前时钟源不是HSE
 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE); // 将系统时钟源切换到HSE
 while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x01) {} // 等待切换完成

在这段代码中，我们首先确认当前系统时钟不是HSE，然后尝试切换到HSE。最后，我们再次确认系统时钟已经切换到HSE。

#### 2.3.2 时钟同步的实现

时钟同步对于多时钟域的系统是至关重要的，尤其是在涉及到处理器核心与外设之间通信时。STM32F103VET6内部集成了多种机制来保证时钟域之间的同步。

例如，如果一个外设的时钟来自PLL或外部晶振，而处理器核心运行在另一个不同的时钟源上，必须确保所有的时钟信号都经过适当同步，以避免数据损坏或者时序问题。

// 示例代码：配置时钟同步
 RCC_HSICmd(ENABLE); // 启用HSI
 while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSIRDY) == RESET) {} // 等待HSI就绪
 RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI); // 将HSI设置为系统时钟源
 // 配置外设时钟源和分频器

在上述代码中，我们首先启用了HSI作为时钟源，并等待其就绪。然后我们设置系统时钟源为HSI，并且可以进一步配置外设时钟源和分频器以实现时钟同步。

| 时钟源 | 启用指令 | 等待标志位 | 系统时钟配置 |
|--------|----------|------------|--------------|
| HSI | RCC_HSICmd(ENABLE) | RCC_FLAG_HSIRDY | RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI) |
| LSI | RCC_LSICmd(ENABLE) | RCC_FLAG_LSIRDY | RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_LSI) |
| HSE | RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON) | RCC_FLAG_HSERDY | RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSE) |
| LSE | RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON) | RCC_FLAG_LSERDY | RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE) |

在上表中，总结了启用不同时钟源以及配置为系统时钟源的指令和相应的标志位检查。

至此，我们介绍了STM32F103VET6的不同时钟源的配置方法及其特点。在下一章节中，我们将深入探讨时钟树结构与配置，理解如何通过分