STM32F103ZE时钟电路配置精要


参考资源链接：[STM32F103ZE全面外围电路原理图详解](https://wenku.csdn.net/doc/64783353d12cbe7ec32dd963?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103ZE时钟系统概述

## 1.1 STM32F103ZE时钟系统的重要性

STM32F103ZE微控制器是ST公司生产的高性能ARM Cortex-M3微控制器系列中的成员，广泛应用于工业控制、医疗设备、消费电子等领域。其时钟系统作为微控制器运行的基础，对整个系统的性能、功耗以及稳定性起着至关重要的作用。无论是在开发阶段还是应用过程中，理解和掌握时钟系统的工作原理和配置方法都是至关重要的。

## 1.2 STM32F103ZE时钟系统特点

该微控制器的时钟系统具有以下特点：

- **多时钟源**：STM32F103ZE支持内部高速时钟（HSI）、外部高速时钟（HSE）、内部低速时钟（LSI）、外部低速时钟（LSE）等多种时钟源。
- **时钟树结构**：微控制器采用先进的时钟树设计，通过分频器和倍频器来生成各功能模块所需的时钟信号。
- **时钟安全系统**：内置时钟安全系统（CSS）以确保系统在外部时钟失效时的稳定运行。

通过这些特性，STM32F103ZE的时钟系统为用户提供了极大的灵活性和可靠性，使得开发者能够根据应用需求定制时钟配置，以达到最优的性能和效率。在接下来的章节中，我们将深入探讨STM32F103ZE时钟系统的具体组成部分及其配置和应用。

# 2. STM32F103ZE时钟电路基础

## 2.1 STM32F103ZE的时钟源

### 2.1.1 内部时钟源

STM32F103ZE微控制器内部集成了多个时钟源，包括内部高速时钟（HSI）和内部低速时钟（LSI）。HSI时钟源是一个8 MHz的振荡器，提供了一个稳定和可靠的时钟源供芯片内部使用。HSI时钟的精确度依赖于芯片制造过程和温度变化，因此在高精度的应用场合需要校准。LSI是一个32.768 kHz的振荡器，通常用于实时时钟（RTC）和看门狗定时器。

在应用中，HSI通常用作系统启动时的默认时钟源，因为它不需要外部组件。LSI由于其低频率特性，常用于低功耗应用场景。

### 2.1.2 外部时钟源

外部时钟源（HSE）可提供外部晶振或外部时钟信号，典型工作频率为8 MHz至25 MHz。外部时钟源提供更高频率的选择和更高的时间精度，尤其适合需要高频率和高稳定性的应用。使用外部时钟源时，需要外部提供晶振电路或者直接引入外部时钟信号。

外部时钟源通常通过连接到STM32F103ZE的XTAL1和XTAL2引脚实现。对于更高精度的应用，可以选择温度补偿晶振（TCXO）或压控振荡器（VCXO）。

## 2.2 STM32F103ZE时钟树结构

### 2.2.1 PLL时钟产生器的原理

PLL（相位锁定环）是STM32F103ZE中一个重要的时钟管理部件，它能够从较低频率的时钟源（HSI或HSE）生成高频时钟信号，从而驱动高性能的CPU核心和外设。PLL倍频因子可配置，允许微控制器以不同的频率运行。

PLL模块包括一个时钟源输入、一个可编程的分频器、一个相位检测器、一个低通滤波器和一个可编程的输出分频器。时钟源输入通常是HSI或HSE时钟。分频器用于降低输入频率，以提高相位检测器的精确度。相位检测器用于比较输入信号与PLL反馈信号，产生一个控制信号，这个控制信号通过低通滤波器稳定后，控制可变振荡器产生相位对齐的输出频率。最终，输出分频器可以进一步调整PLL的输出频率。

### 2.2.2 各个时钟域的配置

STM32F103ZE的时钟树结构允许将不同的时钟源分配到不同的时钟域，以实现功耗和性能之间的平衡。时钟域包括内核时钟域、AHB总线时钟域、APB1和APB2外设时钟域。

内核时钟域通常直接由PLL输出驱动，以确保CPU运行在最高性能。AHB总线时钟域负责总线和内存接口，它的频率可以是PLL输出或PLL经过分频后的频率。APB1和APB2外设时钟域分别驱动一些低速和高速外设，它们的频率通常是AHB总线时钟的分频结果。

通过软件配置，可以实现以下时钟方案：
- HSI作为系统时钟源，用于启动时钟树。
- HSE作为系统时钟源，用于更精确的时钟控制。
- PLL作为系统时钟源，提供一个高频时钟信号驱动CPU和外设。

## 2.3 时钟安全系统与备份域

### 2.3.1 时钟安全系统的功能和配置

时钟安全系统（CSS）是STM32F103ZE中的一个特性，它能够监测外部晶振（HSE）的故障状态。当检测到外部时钟源停止或者不稳定时，CSS可以自动切换到一个安全的时钟源，通常是内部时钟源（HSI），以保证系统稳定运行。

CSS系统可以被软件启用和禁用。启用后，CSS监控HSE的状态，并在发现异常时向RCC（Reset and Clock Control）寄存器报告错误。软件可以通过读取RCC寄存器的状态位来判断是否发生时钟切换，从而执行相应的错误处理程序。

### 2.3.2 备份域时钟源及应用

备份域时钟源是STM32F103ZE中一个独立的低速时钟系统，它包括一个独立的32.768 kHz振荡器（LSI）、一个实时时钟（RTC）和一个独立的看门狗定时器（IWDG）。备份域时钟源为微控制器提供了一个非常低功耗的时钟解决方案，即使在系统主时钟源失效的情况下也能工作。

备份域时钟源的特点是：
- 提供独立的RTC时钟，即使在主时钟失效时也能保持时间的准确性和电池供电的低功耗运行。
- 包含一个独立的IWDG，以确保系统能够在发生软件故障时复位。

备份域时钟源的配置通常涉及到对备份域的电源控制寄存器进行配置，允许独立电源供应，独立的32.768 kHz振荡器，以及RTC和IWDG的工作。这个独立时钟系统可以使用电池供电，在主电源失效的情况下继续工作。

# 3. STM32F103ZE时钟配置实践

## 3.1 时钟配置的软件实现

### 3.1.1 使用STM32CubeMX工具配置时钟

STM32CubeMX是ST官方提供的图形化配置工具，它极大地简化了时钟树配置过程。通过这个工具，开发者可以在可视化的界面中直观地配置时钟源、时钟树参数以及外设时钟，并且能够自动生成初始化代码。

#### 配置步骤

1. 打开STM32CubeMX，选择对应的STM32F103ZE设备型号。
2. 在“Pinout & Configuration”界面，找到“Clock Configuration”选项卡。
3. 在时钟树界面，根据需求选择内部高速时钟（HSI）或者外部高速时钟（HSE）作为主时钟源。
4. 配置PLL参数，比如乘法因子（Mul）、除法因子（Div）等，来生成所需的系统时钟。
5. 通过左侧的时钟输出控制，将时钟分配给不同的外设。

#### 代码生成

配置完成后，点击“Project”菜单，输入项目名称和位置，选择对应的IDE（例如Keil uVision），STM32CubeMX会自动生成项目文件夹和包含时钟配置代码的`main.c`文件。

### 3.1.2 手动编写代码配置时钟

尽管STM32CubeMX极大地简化了时钟配置流程，手动编写代码对于深入理解STM32F103ZE时钟系统也是非常重要的。

#### 核心代码

#include "stm32f1xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void) {
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    // Oscillator Initialization
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE | RCC_OSCILLATORTYPE_LSE | RCC_OSCILLATORTYPE_HSI | RCC_OSCILLATORTYPE_LSI;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.LSEState = RCC_LSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.LSIState = RCC_LSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.LSICalibrationValue = RCC_LSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLLMUL9;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLDIV = RCC_PLLDIV3;
    HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);