stm32—时钟、定时器和看门狗

1. 时钟

什么是时钟呢？

       一个可以产生周期性信号的设备

        什么是周期性信号？
                1        -----        -----        -----

                0                -----        -----        -----

        所以时钟信号就是周期性变化的信号

关于时钟我们有两个比较重要的概念需要理解：
        T：时钟周期，最小重复的信号单元的时间长度，基本单位为s(秒)

        F：时钟频率，1s内有多少个重复的信号单元(1s振动多少次)，单位Hz

                ===> T * F == 1s

例子：

        F = 200Hz     意味着 1s 振动 200次

                ---> 每次振动的时间是 1 / 200 s == 5ms

2. 为什么需要时钟

时钟最主要的作用是用来同步信号用的

什么是同步呢？

        就比如我们的左腿和右腿实际上就需要进行同步，两腿需要协同工作，左腿迈一步然后右腿迈一步，依次重复，人就能正常前行。对应在我们的机器上也是一样的，机器的运行是由很多器件协同工作完成的，当一个器件完成分给它的工作时，理应通知别的器件它完成了，轮到你干活了，等你干完我再继续干。类似于左腿迈完步子了，要等右腿迈完左腿再迈。比如：在A和B进行数据的收发时，A发完数据后应该等待B去接收，等B接收完了之后A再继续发，这种就是同步通信

而我们的M4中大部分时序逻辑电路需要同步，那设备之间怎么实现同步？
        这就需要用到我们的时钟信号了

设备是怎么根据时钟信号怎么实现同步的呢？来看电路以及时序图：

 

如上电路图中假设A端和B端的时序变化如下：

理论上A&B端的电平变化应该如上图所示，输出端(A&B)的电平变换应该要与B端的一致，但是实际上却是下面这样：

为什么会有这样的现象呢？主要是因为A和B输入到&门时，输出需要经过一段的反应时间，虽然这个时间比较短。那么在B端电平变化后，不能立马去读取输出端的电平，应该要等待一段时间后再去读取，那么应该要等待多长时间？此时间段实际上是可以获取到的，我们只需要对电路进行如下改动：

电路修改后， C端的电平的变化如下：

很明显，C端的高电平时期就是&门处理数据的时间(记为de_t)，这段时间是不正常的，正常情况下C端应该一直是低电平(当&门处理数据没有延时的时候)，我们将C端时序中凸起的地方就称之为“毛刺”。“毛刺”时期是不正常的，我们应该要略过它，略过的意思是指当B的信号发生改变时我们不应该立马去读输出值，而是应该等待一段时间，等电路(如：&门)将数据处理完毕后，再去读取输出值此时才是准确的

怎么略过？此时就需要用到我们的时钟信号了

当我们在电路中加上REG后，在REG内部的触发器(假设触发器上升沿触发)的作用下，D端的电平变化如图：

通过上面的时序图可以得知，D此时输出的是一条干净的，没有“毛刺”的信号，那么通过上面这种现象我们可以总结出电路中处理“毛刺”的解决方案：

• 输入信号只能在Clock低跳变(下降沿)时改变，在Clock为高电平时保持不变
• T > 2 * de_t (周期必须大于2倍时延)

3. 时钟信号是怎么产生的呢？

在自然界中有一些物体天生就会产生摆动(振动)  ---> 石英晶体

如果想利用石英晶体规则地、周期性的产生方波信号，需要一些电路来保证：

        晶振电路：频率一般会比较小，如：12M、8M...

但是石英晶振难以满足现代计算机的高频需要，如：CPU它的频率会很高

那么我们就有“分频 / 倍频”电路：

        分频：把输入频率变小

        倍频：把输入频率变大

                比如：在M4中接触的比较多的有PLL：锁相环电路

4. STM32F4xx时钟树(时钟系统)

查看<STM32F4xx中文参考手册.pdf>第六章(复位和时钟控制)第二节(时钟)第107页可以得到M4的时钟树(见图<时钟树.png>)

时钟树中有几个关键名词：

        LSI：  Low Speed Internal      内部低速时钟 (32 kHz RC振荡器)

        LSE： Low Speed External     外部低速时钟 (32.768KHz)

        HSI：  High Speed Internal     内部高速时钟 (16 MHz RC振荡器)

        HSE： High Speed External    外部高速时钟 (8MHz)

内部时钟: 由内部集成的RC震荡电路产生
外部时钟: 由晶振产生

通过GEC-M4原理图可知：

        HSE_VALUE = 8M(外部高速时钟8M，取决于所接晶振大小)

从HSE出发沿着线路往右边走，会来到SW选择器，选择器一共有三路输入，分别为HSE/HSI/PLLCLK(锁相环时钟)，选择这三者之一作为系统时钟来使用，我们的系统时钟最高可以达到168Mhz。很明显HSE/HSI提供不了168Mhz的频率，那么则由锁相环提供

而锁相环的输入是由HSI和HSE二选一之后进行M分频后得到的。在我们M4中我们选择的是HSE，也就是8M进行M分频后输入锁相环

即 SYSCLK = PLLCLK <--- 168M

= (HSE / M) * N / P

= (8Mhz / M ) * N / P

所以PLLCLK是由M和N以及P决定，实际上这三者的值可以在代码中指定：

        M --->  代码中用PLL_M表示 --->   8分频(根据HSE而来，目的将HSE分频为1M)

        N --->  代码中用PLL_N表示 --->   336倍频(336M)

        P --->  代码中用PLL_P表示 --->   2分频

选择器选择HSE/HSI/PLLCLK三者之一作为SYSCLK系统时钟后，接着就可以来到AHB总线，可以通过多个预分频器配置AHB频率、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)频率

        AHB BUS = PLLCLK / (AHB Prescaler) // AHB Prescaler  AHB总线的预分频

        APBx BUS = AHB BUS CLK / (APBx Prescaler) // APBx Prescaler  APBx总线的预分频

        AHB总线时钟最大值为168M;

        低速APB(APB1)最大值为42M，高速APB(APB2)最大值为84M

来到APBx总线上后，我们的定时器就挂载在APBx总线上，那我们的定时器的时钟频率是多少呢？

通过时钟树我们可以得知定时器的时钟频率分为两种：

• if (APBx presc == 1) 的意思是如果APB预分频值为1，那么定时器时钟频率等于APB的时钟频率；
• else 的意思就是如果APB预分频器值不为1，那么定时器时钟频率等于两倍的APB的时钟频率

如果APB1 CLK = 42M = AHB BUS CLK / (APB1 Prescaler)

APB1 Prescaler = 168 / 42 = 4

则位于APB1总线上的定时器时钟频率为 42M*2 = 84M

如果APB2 CLK = 84M = AHB BUS CLK / (APB2 Prescaler)

APB2 Prescaler = 168 / 84 = 2

则位于APB2总线上的定时器时钟频率为 84M*2 = 168M

5. 修改固件库时钟相关代码

因为ST公司提供固件库的时候，不知道其他公司设计的板子会采用多少频率的HSE晶振，因此只提供了最大值配置

GECM4采用的是8M HSE，所以需要修改

        1）修改 HSE_VALUE 为 8M

                      stm32f4xx.h --> 144行

        2）修改 PLL 相关

                PLL_M   8             (371行)

                PLL_N    336        (不需要改)

                PLL_P   2             (不需要改)

                       system_stm32f4xx.c

上述修改需根据硬件电路的设计而来!!!

6. 定时器

timer：定时器就是用来定时的器件

在STM32上，一般来说，定时器由三部分组成：

        时基单元、输入捕获单元、输出比较单元

1. 时基单元：Time Bese Unit

        定时器的基本单元，所有定时器都具备的单元

        时基单元 = 计数器 + 重载计数值寄存器 + 定时器预分频器 组成

        时基单元工作原理：

                将计数器设置为一个值按照一定的时钟频率递减到0，或按照一定的时钟频率从0递增到某个值，当计数器溢出后，可以产生一个溢出事件/中断以此来达到定时的功能

组成时基单元的三个器件的作用：

1）定时器预分频器（TIMx_PSC）

        用来将定时器的总线时钟进行分频，提供一个合适的频率，给计数器去计数。分频系数介于1到65536之间，是一个16位的寄存器

2）重载计数值寄存器（TIMx_ARR）

        用来设定计数值，设为N值。如果自动重装载数值为0，则计数器停止

3）计数器（TIMx_CNT）

        按照预分频器得到的频率，从0递增到N，或者从N递减到0，并且可以在溢出后，产生定时器中断/事件

        溢出的含义为：

                如果为递增计数，当计数值达到N时产生溢出

                如果为递减计数，当计数值达到0时产生溢出

        比如：如果为递增计数，从0开始在一定的时钟频率下开始加1，一直加，加到N时，此时完成计数，就会溢出，产生定时器中断/事件

那么我们如何知道计数器溢出产生中断时，到底花费了多少时间呢？

        我们知道计数器每做一次运算(+1运算)是需要花费时间的，那么我们只需要将计数器每+1所花费的时间求出来t，那么产生中断的时间应该就为：

        (N+1) * t         // N+1指做了N+1次运算

                              // 从0递增到N或者从N递减到0是N次运算

                              // 此时通过重装载从N回到0或从0回到N又是一次运算

                             // 相当于秒钟计数从0加到59秒再加1又回到0

计数器每+1花费的时间到底是多少？首先我们要搞清楚定时器中断产生的流程：

(依据于<STM32F4xx中文参考手册>第17章<基本定时器>中图188<基本定时器框图>)：

通过如上流程图可知计数器每+1所花费的时间是跟输入计数器的时钟频率有关系的

举个例子：

假设TIMEx是位于APB1总线上，那么Fin = 84M hz

为了方便计算一般情况下TIMEx_PSC设置为83

则计数器时钟频率为Fcnt = Fin / (TIMEx_PSC + 1) = 84M / 84 = 1M

此时计数器的时钟周期Tcnt = 1 / Fcnt = 1 / 1M = 1us

此时即意味着计数器每过1us加1

所以产生定时器中断的时间为Vt = (N + 1)* Tcnt = (N + 1)us

2. 输入捕获单元

可以对一个或多个输入信号进行处理

有些定时器不具备输入捕获单元

具体可以捕捉多少个输入信号需要看你的定时器有几个通道Channel

有什么用呢？

比如: 可以计算输入信号的频率

        输入信号经过"输入捕获阶段"(数字滤波，多路复用，预分频，去噪等等)，到信号检测，当检测到需要的信号状态(上升沿变化/下降沿变化)变化时，就会把定时器时基单元中的TIMx_CNT计数器值，锁定到"输入捕获寄存器"中

这样就可以根据预先设定的定时器参数(时钟频率，N值等等)，就可以计算出从开始捕获到锁定这个信号所花费的时间了t

那么进而我们就可以求出输入信号的频率 =  1/t

3. 输出比较单元

可以输出一个或多个信号

有些定时器没有输出比较单元

具体可以输出多少个信号，就需要看你的定时器有几个通道Channel

输出比较：

定时器可以向对应的GPIO引脚(复用功能)输出一个电平状态

并且可以根据"输出比较寄存器(TIMx_CCR)"中的值，来翻转输出的电平状态

比如：

TIMx_CCR > TIMx_CNT  向GPIO引脚输出一个低电平

TIMx_CCR <= TIMx_CNT 向GPIO引脚输出一个高电平

典型应用: 输出PWM波

注意：

        输入捕获和输出比较共用一个寄存器

        因此同一个定时器的输入捕获和输出比较功能不能同时使用

7. STM32F4xx定时器概述