В уроке изучим систему тактирования микроконтроллера.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Микроконтроллер – это синхронный автомат, работающий от единого источника тактовых импульсов. Пока мы не настроим тактирование всех его узлов, программа правильно работать не будет.

 

В уроке 3 мы научились пользоваться программой STM32CubeMX. Конфигурацию системы тактирования производили с помощью интерактивной схемы. Эта схема адекватно, в подробностях отображает реальную функциональную схему системы тактирования микроконтроллера. Так давайте и изучать ее с помощью STM32CubeMX, тем более, что мы собираемся использовать эту программу в каждом проекте.

Последовательность действий нам уже известна.

• Запускаем STM32CubeMX.
• Нажимаем на  ACCESS TO MCU SELECTOR.
• Выбираем микроконтроллер STM32F103C8.
• Затем Start Project.
• В закладках System Core -> RCC.
• В верхнем меню выбираем Clock Configuration.

Перед нами интерактивная схема системы тактирования микроконтроллера.

Схема легко позволяет формировать сигналы тактирования разных частот. Переключаешь коммутаторы, выбираешь коэффициенты деления и умножения, смотришь частоты выходных сигналов. Если надо, корректируешь.

Все просто. Гораздо важнее понять, что надо сформировать, для чего и из чего.

 

Что значит конфигурировать систему тактирования? Чего мы хотим добиться?

Справа схемы есть 8 прямоугольников. Это источники тактирования узлов микроконтроллера. Мы должны установить, выбрать для них синхроимпульсы с определенной частотой.

Конечно, для этого необходимо знать, как работают сами узлы. Например, надо понимать, как работает таймер, чтобы выбрать для него нужную частоту синхроимпульсов. На данном этапе я дам только общие пояснения узлов микроконтроллера, которые используют систему тактирования. А вот саму систему синхронизации разберем подробно.

Большая часть узлов микроконтроллера тактируются от сигналов, полученных из промежуточной частоты – прямоугольник HCLK. Левая от него часть схемы формирует саму частоту HCLK, а правая – раздает ее по узлам, периферийным устройствам.

Итак. Настроить систему тактирования микроконтроллера - это прежде всего задать частоты синхронизации для следующих узлов и периферийных устройств.

• FCLK - тактирование ядра микроконтроллера. Частота сигнала определяет производительность микроконтроллера, время выполнения команд. Она не может быть выше 72 мГц. Поступает непосредственно от сигнала HCLK.
• HCLK to AHB – тактирование шины AHB. К этой шине подключены: ядро процессора, память и контроллер прямого доступа к памяти (DMA). Синхроимпульсы для нее также поступают непосредственно от сигнала HCLK . Ядро процессора и его шина (AHB) синхронизируются одним сигналом.
• Cortex System timer – системный таймер. Это стандартный таймер в микроконтроллерах STM32. Представляет из себя 24 разрядный вычитающий счетчик с функциями автоматической перезагрузки и формирования прерываний. Для тактирования используется сигнал HCLK, частота которого может быть уменьшена пред делителем в 8 раз.

• APB1 – тактирование шины APB1. Это шина, по которой происходит доступ к таймерам 2-4, USART 2 и 3, SPI2, I2C 1 и 2, CAN, USB, RTC, WatchDog.

У других микроконтроллеров семейства STM32 устройств на шине APB1 может быть больше.

Для тактирования шины APB1 используется сигнал HCLK с предделителем на несколько значений.

Частота не должна превышать 36 мГц.

• ABP1 Timer clocks – тактирование таймеров шины ABP1. Используется сигнал с выхода предделителя ABP1 с умножителем частоты на 1 или 2. Если значение предделителя APB1 равно 1, то частота тактирования таймеров равна частоте тактирования шины. При другом коэффициенте делителя, таймеры тактируются частотой в 2 раза выше, чем шина APB1.

 

• APB2 – тактирование шины APB2. Это шина, по которой происходит доступ к портам GPIO, таймеру 1, SPI1, USART1, АЦП. У шины предделитель с такими же функциональными возможностями, как у APB1.

• ABP2 Timer clocks – Тактирование таймера 1. Все как для сигнала ABP1 Timer clocks. Только к нему подключен один таймер 1. Частота тактирования его равна частоте синхронизации шины ABP2, в случае если значение предделителя равно 1. При любом другом значении частота тактирования таймера 1 в 2 раза выше частоты синхроимпульсов шины.
• ADC – тактирование АЦП 1 и 2. Для тактирования используется сигнал предделителя шины APB2 с дополнительным делителем частоты. Делитель на схеме становится активным, если разрешить работу АЦП.

 

Теперь давайте разберемся, как формировать сигнал промежуточной частоты HCLK. Начнем с противоположного, левого края схемы.

Исходными источникоми тактирования процессорного ядра и периферийных устройств микроконтроллера STM32 могут быть:

• HSI (High speed internal ) – встроенный RC-генератор.
• HSE (High speed external) – внешний высокочастотный генератор. Может быть использован, как:
  • Внутренний генератор с внешним кварцевым резонатором 4-16 Мгц.
  • Сигнал от внешнего генератора частотой 4-16 Мгц.

На схеме HSI-генератор изображен внутри микроконтроллера.

Это внутренний RC-генератор на 8 мГц. Сигнал с него подается на коммутатор HSI/HSE через делитель на 2. Поэтому от этого генератора можно сформировать сигнал HCLK с частотой до 36 мГц.

Входы подключения внешнего кварцевого резонатора – это самое ”узкое место” для любого микроконтроллера с точки зрения помехозащищенности, влагостойкости, критичности сопротивления изоляции и т.п. Кварцевые генераторы часто не запускаются на морозе, не работают при высокой влажности. Прикоснитесь руками к выводам кварцевого резонатора не вскрытой лаком платы, и он тут же перестанет работать. Поэтому очень удобно иметь генератор внутри микросхемы.

Но RC-генератор обладает невысокой стабильностью частоты. Как правило, она сильно зависит от напряжения питания, возраста и температуры корпуса микроконтроллера. В технической документации указана погрешность частоты HSI-генератора от -2 до 2,5 % в диапазоне температур -40 до 105 C°.

Для повышения точности можно через специальный регистр незначительно изменять частоту HSI-генератора, т.е. производить программную калибровку.

Кварцевый генератор (HSE) надо включать. Как это делается во вкладке System Core -> RCC, мы уже знаем.

После этого на схеме он становится синим, и мы можем задать для него частоту. На нашей плате установлен кварцевый резонатор на 8 мГц, поэтому оставим 8.

В том же поле можно выбрать в качестве исходной частоты тактирования внешний сигнал.

В этом режиме входная частота может быть в пределах 1-25 мГц.

На пути преобразования сигналов HSI и HSE-генераторов в промежуточный синхросигнал HCLK расположены коммутаторы PLL Source Mux и System Clock Mux, делители и один умножитель.

Думаю, не составит труда разобраться, как выбрать нужную частоту сигнала HCLK.

 

Скорее всего, непонятен прямоугольник CSS, который можно включать и выключать.

На схеме прямоугольник управляет коммутатором System Clock Mux.

Это система Clock Security System – контроль работы внешнего высокочастотного генератора HSE. При включенной системе CSS контролируется работа HSE-генератора. Если генератор перестает работать, то:

• система тактирования автоматически переключается на RC-генератор HSI,
• сигнал тактирования переключается на путь через верхний вывод коммутатора System Clock Mux, т.е. выключается умножитель частоты PLLMul,
• вырабатывается немаскируемое прерывание для программной обработки этой аварийной ситуации.

При использовании интерфейса USB есть небогатый выбор значений предделителя частоты для его тактирования.

Стандартная частота для работы USB – 48 мГц. При любой другой, прямоугольник to USB краснеет.

Прямоугольник FLITFCLK показывает, что для тактирования операций программирования FLASH-памяти микроконтроллера всегда используется внутренний RC-генератор HSI.

Но это вполне логично, да и повлиять на эту связь мы никак не можем.

 

Внизу схемы есть еще один коммутатор, который позволяет вывести сигнал тактирования на вывод микроконтроллера MCO (Microcontroller clock output). Сигнал может быть использован для синхронизации аппаратных узлов, подключенных к микроконтроллеру.

Для разрешения работы выхода должна быть установлена ”птичка” Master Clock Output во вкладке System Core -> RCC.

После этого коммутатор MCO source Mux становится активным и можно выбрать один из источников сигнала:

• выход умножителя PLL с делителем на 2;
• RC-генератор HSI;
• внешний генератор HSE;
• SYSCLK  - выход коммутатора System Clock Mux.

Остался левый верхний угол схемы. Это управление тактированием часами реального времени (RTC). Часы представляют собой 32 разрядный счетчик и несколько ячеек памяти, которые работают от отдельного, резервного питания.

Для тактирования часов RTC есть 2 генератора:

• LSI – встроенный низкочастотный RC-генератор с частотой 40 кГц.
• LSE – внешний низкочастотный генератор. Может быть использован, как:
  • внутренний генератор с внешним кварцевым резонатором 32 768 Гц;
  • сигнал от внешнего генератора частотой 0 – 1000 кГц.

Все, как для генераторов основной системы синхронизации. Только низкие частоты.

Включение LSE-генератора также происходит во вкладке System Core -> RCC.

Прямоугольник Input frecuency станет синим.

Если еще активировать часы в закладке Timers -> RTC.

То коммутатор RTC Clock Mux станет активным и можно будет выбрать источник тактирования RTC-часов.

На схеме еще показано, что низкочастотный RC-генератор LSI используется сторожевым таймером. Но для нас это чисто информационная ветка схемы.

Надеюсь, я ничего не забыл.

Как получить проект с выбранной конфигурацией я описывал в уроке 3.

 

Рассказывать, как задавать конфигурацию в программе, без конфигуратора STM32CubeMX, не имеет смысла. Получится очень большой объем ненужной информации.

Оперативное переключение системы тактирования необходимо только в приложениях критичных к энергопотреблению. Поговорим об этом, когда будем разрабатывать такие приложения.

 

В следующем уроке будем изучать порты ввода-вывода. Напишем первую осмысленную программу.

 

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок