如何配置STM32内部时钟并设置正确的系统频率？

在嵌入式系统开发中，时钟系统是微控制器（MCU）的“心脏”，为所有外设和核心提供动力来源，STM32系列微控制器以其灵活且强大的时钟配置功能而著称，配置和使用内部时钟，尤其是高速内部时钟（HSI），是开发者必须掌握的基础技能，这不仅能简化硬件设计、降低成本,还能在特定场景下提供快速启动的解决方案。

STM32内部时钟系统核心组件

要理解如何配置内部时钟，首先需要了解STM32时钟树中的几个关键组件，这些组件协同工作，将原始的时钟信号处理、分配并传递给芯片的各个部分。

• HSI (High-Speed Internal clock)：高速内部时钟，是一个8MHz的RC振荡器，它是STM32芯片内置的时钟源，无需任何外部元件即可工作，HSI的优点是启动速度快（通常在几个微秒内），且不占用PCB空间和增加物料成本，其精度受温度和电压变化的影响较大，通常精度在±1%左右，不适合对时钟频率有严格要求的应用,如USB或高精度通信。

• LSI (Low-Speed Internal clock)：低速内部时钟，是一个约40kHz的RC振荡器（具体频率请参考相应芯片的数据手册），它主要用于独立看门狗（IWDG）和实时时钟（RTC）的时钟源,同样具有低功耗和无需外部元件的特点。

• PLL (Phase-Locked Loop)：锁相环，是STM32时钟系统中的“频率放大器”，它可以将一个较低的输入时钟频率（如HSI的8MHz）通过倍频和分频，生成一个非常高的系统时钟频率（如72MHz, 168MHz, 180MHz甚至更高）,PLL是发挥STM32高性能的关键。

• 系统时钟选择器与分频器：时钟系统包含一个多路选择器，用于决定最终的系统时钟（SYSCLK）来源是HSI、HSE（高速外部时钟）还是PLL输出，AHB、APB1和APB2总线上的预分频器可以将SYSCLK进行分频,为不同速度的外设提供合适的时钟。

配置内部时钟的关键步骤

以常见的将STM32系统时钟配置为通过HSI倍频得到的高频率为例,其核心步骤如下：

1. 启用HSI时钟：必须通过RCC（Reset and Clock Control）寄存器中的控制位来启动HSI振荡器，启动后，需要等待一个硬件标志位（HSIRDY）被置位,确保HSI已经稳定运行。

   

2. 配置PLL：这是最核心的一步，需要设置PLL的输入时钟源为HSI，并配置PLL的倍频因子（PLLMUL）和预分频因子（如PLLP, PLLQ, PLLR等，具体取决于STM32系列），要将8MHz的HSI配置成72MHz的系统时钟（在F1系列中），需要将PLLMUL设置为9倍（8MHz * 9 = 72MHz）。

3. 配置Flash延迟和总线分频：在提高系统时钟频率之前，必须根据目标频率设置Flash存储器的等待周期，否则，高速读取Flash会导致指令获取失败，需要配置AHB、APB1和APB2总线的预分频器，确保分配给各个外设的时钟不超过其最大工作频率，APB1通常连接低速外设，其时钟频率不能超过36MHz（F1系列）。

4. 切换系统时钟源并等待稳定：完成所有配置后，通过RCC寄存器中的SW[1:0]位，将系统时钟源从HSI切换到PLLCLK，切换后，同样需要等待一个硬件标志位（SWS）确认切换成功,即PLL已成为系统主时钟。

实现方式：寄存器操作与HAL库

开发者可以通过两种主要方式完成上述配置：

直接操作寄存器

这种方式直接、高效，但需要对寄存器位有深入的理解，代码可移植性较差，开发者需要手动设置RCC->CR, RCC->CFGR等寄存器的每一位,并轮询状态标志位。

使用STM32 HAL库

这是目前官方推荐的方式，具有更好的可移植性和安全性，HAL库将复杂的寄存器操作封装成易于理解的函数和结构体，核心是使用HAL_RCC_OscConfig()和HAL_RCC_ClockConfig()两个函数。

// HAL库配置示例（以STM32F1为例）
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
// 1. 配置PLL：HSI作为输入，9倍频
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9; // 8MHz / 2 * 9 = 36MHz (注意F1系列HSI默认是2分频后给PLL)
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}
// 2. 配置系统时钟和总线分频
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; // 系统时钟源选择PLL
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; // AHB不分频
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; // APB1二分频 (36MHz/2=18MHz < 36MHz)
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; // APB2不分频
// 设置Flash延迟
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

HSI与HSE核心特性对比

为了更好地理解何时选择内部时钟，下表对比了HSI与HSE（高速外部时钟，通常接晶振）的核心特性。

相关问答FAQs

问题1：在什么情况下应该优先使用内部时钟HSI，而不是外部时钟HSE？

答： 优先使用HSI的场景主要包括：

1. 成本控制严格的项目：使用HSI可以省去外部晶振和两个匹配电容的物料成本以及PCB布局空间。
2. 对时钟精度要求不高的应用：简单的GPIO控制、PWM输出（对频率要求不苛刻）、非高速的ADC采集等。
3. 需要快速启动的场合：HSI的启动时间远短于HSE,在需要MCU从低功耗模式下快速唤醒并立即工作的场景中非常有用。
4. 作为HSE的备用时钟：在可靠性要求高的系统中，可以配置当HSE故障时，系统自动切换到HSI，保证系统继续运行（尽管性能和精度下降）。

问题2：我按照教程配置了内部时钟，但程序运行得很慢甚至卡死，可能是什么原因？

答： 这是一个常见的配置问题,通常由以下几点导致：

1. Flash等待周期未正确设置：当系统时钟频率超过一定值（如STM32F1超过24MHz）时，必须增加Flash的等待周期（LATENCY），如果未设置或设置不足，CPU无法从Flash中正确读取指令,会导致程序卡死或执行异常。
2. PLL倍频或分频因子配置错误：计算错误，导致PLL输出频率过高，超出了芯片的最大工作频率，引发系统不稳定，或者分频因子设置不当，导致APB1总线时钟超频（STM32F1中APB1最大36MHz）,连接在该总线上的外设无法正常工作。
3. 未等待时钟稳定标志位：在启用HSI或PLL后，或者在切换系统时钟源后，没有等待相应的就绪标志位（HSIRDY, PLLRDY）被置位就继续执行后续代码，可能导致在时钟未稳定时进行操作，引发系统异常，在使用HAL库时，这些等待操作已被封装在库函数内部,但自己操作寄存器时必须注意。