IDE/去读懂STM32CubeMX 时钟配置图（有源/无源晶振、旁路/晶振模式、倍频/分频）

概述

阅读本文的内容后，我们便可以真正地去读懂STM32时钟配置图的全部内容，打开理解STM32时钟树的第一道大门。
1、逻辑电路符号（如PLL、Mux等）说明、名词（HSI/LSI/HSE/LSE、AHB/APB、SYSCLK/HCLK）说明等；
2、Crystal/Ceramic Resonator、BYPASS Clock Source、有源晶振、无源晶振、旁路模式、晶振模式等概念及其关联。
3、有源晶振/无源晶振管脚、电路图设计和分析。
4、了解频率自动计算和频率冲突问题。

@History
202306 此时，我应该连半个嵌入式程序员都算不上，虽然基于STM32+FreeRTOS搞过半年多的嵌入式编程，但是环境都是别人搭建的，就连GPIO配置、OS配置等都是别人帮助我搞得，我充其量就是完成了一次C程序设计和代码编码。即使是在参与了许多嵌入式项目后的，我依然对于嵌入式编程，都是一知半解，算不上入门。借着学习 STM32Cube 的机会，开启一段新里程，加深个人对嵌入式开发的理解。我通常的学习路径是，粗实践-细理论-细实践。本文，MX时钟树解读就是我细理论的第一战。

配置图元素说明

要实实在在的看懂时钟配置图，第一步，要理解时钟图中的各个名称或缩写名称的含义，理解图中的器件的功能。我们新建一个基于STM32F427的MX工程，默认情况下的时钟配置如下图，
//TODO

RCC

RCC 是 Reset and Clock Control（复位与时钟控制器） 的缩写，控制外设的硬件复位，为CPU内核、外设提供稳定的时钟信号。

HSI/LSI/HSE/LSE

HS和LS，是High Sped 和 Low Speed 的缩写，这些通过上图都可以意识到。那么I和E呢？其实这里它们分别是Internal和External。即内部高低速时钟和外部高低速时钟。内部高低速时钟，不需要任何外部电路，不涉及GPI配置过程。相关标识如下图红色和绿色框。

LSE（低速外部晶振）：LSE是一种低频率的外部晶振，通常使用 32.768KHz 的频率。它主要用于提供低功耗时钟，例如RTC（实时时钟）和低功耗模式中的时钟源。LSE适用于需要长时间稳定运行的应用，如实时时钟和定时器。
HSE（高速外部晶振）：HSE是一种高频率的外部晶振，通常使用 4MHz 到26MHz的频率。它用于提供高速时钟源，供微控制器的内部逻辑和外设使用。HSE适用于需要高性能和高速通信的应用，如高速串行接口（例如SPI、I2C、USART）和高速计时器。

AHB 和 APB

在STM32微控制器中，AHB（Advanced High-performance Bus，高级高性能总线） 和 APB（Advanced Peripheral Bus，高级外设总线） 是 片上总线架构 的核心组成部分，用于连接CPU、内存和外设，实现数据传输。AHB专注于高带宽、低延迟，APB专注于低功耗、外设兼容性。
AHB是STM32的系统主干总线，连接CPU、内存（SRAM/Flash）和高带宽外设，设计目标是高吞吐率、低延迟，支持突发传输（Burst Transfer）和流水线操作。仔细观察是时钟图和阅读数据手册，便可以窥探一二。关于，AHB和APB上外设的挂载，我们在后续文章中会继续谈。这里先不多说了。可以先提一点，

最累的是AHB1，下图中的灰色实心线表示了与它相关的设备，

SYSCLK 和 HCLK

SYSCLK（System Clock，系统时钟）
它是STM32的主时钟源，是CPU（Cortex-M内核）运行的基准时钟，也是其他所有时钟（如HCLK、PCLK）的源头。其频率直接决定了CPU的运算速度，如168MHz SYSCLK对应CPU最大168MIPS的处理能力。事实上SYSCLK类似于我们常说的主频的意思，该时钟驱动CPU的指令执行。即在CubeMX中，通过 Clock Configuration 界面的 System Clock Mux（系统时钟多路选择器）选择SYSCLK的来源，默认优先使用PLLCLK，此时频率最高，性能最优。

HCLK（AHB Clock，高速总线时钟）
HCLK高速总线的时钟，由SYSCLK经过 AHB Prescaler（AHB分频器） 分频得到，分频系数可配置为1、2、4、8、16、64、128、256、512（默认1分频，即HCLK = SYSCLK）。该时钟为连接在AHB总线上的高带宽外设提供时钟，同时也是CPU的“总线接口时钟”（CPU通过AHB总线访问内存和外设）。再直白点说就是，驱动AHB总线及外设：如SRAM、Flash、DMA控制器、SDIO、ETH、Timer等需要高带宽的外设。

Mux 多路复用器

在时钟配置图中，我们可以看到多个Mux逻辑电路符号，

Mux 是 Multiplexer（多路复用器） 的缩写，可以认为它是一种电子选通开关电路，可从多个输入信号中选择一个，并将其输出到单一通道。这里以两个最主要的Mux为例，它们的功能介绍大约如下，PLL Source Mux（PLL源多路选择器） 是一个硬件开关，用于选择PLL的输入时钟源（即“喂给”PLL的原始时钟）。System clock Mux（系统时钟多路选择器） 是STM32时钟树的“总开关”，用于选择系统时钟（SYSCLK）的最终来源，直接决定CPU内核、内存和大多数外设的工作频率。

Prescaler 预分频器

美 /'pri:skeilə/ 预分频器。在STM32CubeMX的“Clock Configuration”（时钟配置）界面中，预分频器（Prescaler） 是降低时钟频率的核心组件，通过对输入时钟进行“分频”（除以某个整数），为不同外设提供匹配其最高工作频率的时钟信号。预分频器是STM32时钟树的“流量控制器”，确保高速系统时钟（如168MHz）能适配低速外设（如UART最高支持42MHz）。

PLL 锁相环

PLL（Phase-Locked Loop，锁相环） 是STM32中用于倍频/分频时钟的核心模块，可将低频时钟（如8MHz HSE）倍频至高频（如168MHz），供系统时钟和高速外设使用。
以STM32F427为例，其PLL输入频率，无论是使用HSI还是HSE，通常都要先分频处理。分频的核心目的是将原始高频时钟（HSI/HSE）降至PLL的输入频率范围（如2 MHz），保证PLL稳定工作。若原始时钟频率 恰好落在PLL输入范围内，则无需分频。

PLL 配置寄存器

当我首次注意到PLL锁相环的M、N、O、P、R时，稍微有点蒙，难道它们有什么特殊含义吗？

RCC PLL 配置寄存器 (RCC_PLLCFGR) RCC PLL configuration register

其实，这里的MNOP并没有特殊的含义，纯粹的是PLL寄存器字段的编号。如上寄存器位域分配表所示，
位 5:0 PLLM：
主 PLL (PLL) 和音频 PLL (PLLI2S) 输入时钟的分频系数，由软件置 1 和清零，用于在 VCO 之前对 PLL 和 PLLI2S 输入时钟进行分频。
位 14:6 PLLN：
适用于 VCO 的主 PLL (PLL) 倍频系数 (Main PLL (PLL) multiplication factor for VCO) 由软件置 1 和清零，用于控制 VCO 的倍频系数。压控振荡器 VCO（Voltage-Controlled Oscillator） 是 PLL 核心组成部分，负责根据输入电压生成高频振荡信号，其输出频率随控制电压线性变化。
位 17:16 PLLP：
适用于主系统时钟的主 PLL (PLL) 分频系数 (Main PLL (PLL) division factor for main system clock) 由软件置 1 和清零，用于控制常规 PLL 输出时钟的频率。软件必须正确设置这些位，使其在此域中不超过系统时钟最大频率限制。
位 27:24 PLLQ：
主 PLL (PLL) 分频系数，适用于 USB OTG FS、SDIO 和随机数发生器时钟 (Main PLL (PLL) division factor for USB OTG FS, SDIO and random number generator clocks) 由软件置 1 或清零，用于控制 USB OTG FS 时钟、随机数发生器时钟和 SDIO 时钟的频率。在默认的情况下，PLLQ这条线是灰色不可用的，除非你使能了USB或RNG或SDIO，此处才是可编辑状态。

时钟物理源

在MX的PCC时钟源配置界面，都是针对外部时钟源的，在使能 HSE 或 LSE 前，整个Clock Configuration 选项卡大多是灰色，时钟树上只有内部时钟的部分树枝是可以配置的。

内部时钟和驱动

STM32是内置高低两个时钟源的，它们的震荡电路应该不是晶体震荡电路吧？
STM32内置的高/低时钟源（HSI、LSI） 的振荡电路是RC振荡器，而非外置晶振使用的晶体振荡电路。两者的核心区别在于是否依赖外部石英晶体，内置时钟源通过芯片内部的RC网络实现振荡，而外置时钟源（HSE、LSE）则依赖外部石英晶体/陶瓷谐振器（晶体振荡电路）。这种设计的主要好处在于，无需外部元件，完全集成在芯片内部，上电即可工作（无需等待外部晶振起振）。但是它们频率精度低，而且受温度和电压影响大。详细的，这里不再过多的讨论。

STM32的内置时钟源和外置无源晶振时钟源，这两种模式，它们有交集，但更多的是独立。
相同之处在于，它们会共用芯片内部的电源域和基础模拟电路（如稳压器、噪声滤波电路）。不同之处在于，核心驱动电路（振荡器）是独立的。前者的驱动电路是，高精度RC网络、低功耗反相放大器（为RC网络提供正反馈，维持振荡），驱动电路与RC网络完全集成，上电后自动起振。后者的驱动电路是，高增益反相放大器（为外部晶体提供正反馈激励，使其产生机械振动并输出电信号）、负载电容匹配电路，驱动电路本身不产生振荡（依赖外部晶体），仅通过反相放大器的正反馈使外部晶体谐振。

无源晶振和驱动

先来看两款无源晶振的数据手册，直观的感受下，无源晶振本质就是快石头。
32.768kHz无源晶振，8MHz无源晶振，如上链接可以下载手册。我们以TAXM8M4RDBCCT2T 为例，看看其管脚和电路原理图，

别看这小子有4个引脚，但实际上，只有两个是有效的，这是为了和有源的晶振管脚兼容，方便以后扩展，即上图P2和P4悬空或接地。无源晶振的两端接在主芯片的OSC_IN和OSC_OUT管脚之间，OSC_OUT是主芯片内部驱动电路的输出脚，以此敲打晶振动起来。

外部无源晶振的驱动电路，
是 STM32 内部集成的“晶体驱动电路”，核心是 反相放大器 和 正反馈网络。上电后，反相放大器输出噪声信号，通过正反馈网络（电容/电阻）选频，使外部晶体在其固有频率（如8MHz HSE）上产生机械谐振。晶体谐振产生的正弦波信号再次通过反相放大器放大，输出稳定的时钟信号。反相放大器的核心作用，在于提供能量和正反馈。外部无源晶体本身无能量来源，反相放大器通过 电源供电（AVDD）为晶体提供振荡所需的能量（类似“推秋千”，放大器的能量输入维持晶体持续振动）。反相放大器的输出信号通过反馈网络（如电容分压）送回输入端，形成 正反馈环路，使晶体仅在固有频率上谐振（抑制其他频率的噪声）。

有源晶振和驱动

先来做个基本理解：这里的“源”它不仅仅是电源，应该是指 “能量和驱动来源”。无源晶振，无内置能量来源，需外部电路驱动（“借别人的力振动”）。有源晶振，自带能量转换电路，独立驱动振动（“自己有力气振动”）。因此，无源晶振需要接STM32的两个引脚（OSC_IN/OSC_OUT形成振荡回路），而有源晶振只需接一个输入引脚（自带驱动，直接送信号）。以 型号NT0507BH3I507EA10 为例，

有源晶振的电路原来图，通常如下图这个样子，

管脚1，悬空或者接压控电压。在支持压控评率的情况下，为了电路板对晶振选择的兼容性，压控的引脚可能会选择 OSC_OUT管脚。

MCO 时钟信号

在文中前面的小节中我们讲到过一次了，MCO 是 Microcontroller Clock Output 的缩写，即，微控制器时钟输出，是STM32芯片的一种特殊功能引脚，用于将内部时钟信号（如PLL输出、HSI、HSE等）通过GPIO引脚输出到外部，供调试或外部设备使用。要使能这种时钟输出功能，首先要在RCC配置界面，启用 Master Clock Output，否则对应的时钟树是不可编辑的。

在合理的配套的硬件设计基础上，结合上述配置，就可以将自己的内外部高低时钟信号的一路，分频后，借给其他MCU使用。前文也提到过，STM32F429 的评估板就是这么干的，将ST-LINK-STM32F103的HSE，给了F429主芯片使用。此时F103/ST-LINK固件程序的时钟配置，当如上图，启用时钟输出，并进行分频配置。而F429的程序时钟配置中，与使用有源晶振时配置是相同的。

当我们在MX配置实验操作中启用 Master Clock Output 1 时，MX GPIO 配置会自动配置 PA8为MCO_1，如下图，

ST评估板也是这么搞的，

音频时钟配置

在STM32微控制器中，SAI（Serial Audio Interface，串行音频接口） 是一种高性能、多通道的音频专用接口，专为数字音频信号的传输设计，支持I²S、PCM、TDM等多种音频协议，广泛用于音频播放、录音、语音处理等场景（如智能音箱、车载音响、工业音频采集）。要启用此SAI接口后，其在时钟树中的时钟才会处于可配置状态，

SAI接口的时钟，可以从 HSE 获得，当然也可以使用独立的定时器，此时需要勾选RCC配置中的 Audio Clock Input (IIS_CKIN)选项。

晶体振荡器？

正式开谈前，必须要有的知识是，振荡电路的类型，可不止RC电路哦，常见的震荡电路类型有：
RC振荡电路：由 电阻（R）和电容（C） 作为选频网络，输出低频信号（kHz级，如1kHz~1MHz）。
LC振荡电路：由 电感（L）和电容（C） 作为选频网络，输出高频信号（MHz级，如射频通信）。
晶体振荡电路：由 石英晶体 作为选频网络，输出高精度信号（MHz级，如MCU的HSE/LSE时钟）。

针对物理外部时钟源分类，其还会被分为晶振模式和旁路模式，此分类法的根本在于，是否使用了STM32内部晶体震荡电路。下文将围绕 Crystal/Ceramic Resonator、BYPASS Clock Source、有源晶振、无源晶振、旁路模式、晶振模式等概念及其关联展开。

外部时钟源类型

针对非专用外部时钟源（或者是可以叫外部系统时钟源吧），HSE 和 LSE 的配置选项都是下图中，Disable、BYPASS Clock Source、Crystal/Ceramic Resonator 三个选项。MX中RCC如下配置中，为什么又是依据什么，如此划分？

温习几个单词，crystal /ˈkrɪstl/ 晶体的 ceramic /səˈræmɪk/ 陶瓷的 resonator /'rɛzə’netɚ/ 共振器 BYPASS 旁路的
知识继续补充，Crystal Resonator（晶体谐振器） 和 Ceramic Resonator（陶瓷谐振器） 是两种常见的无源谐振器类型，均用于为芯片提供稳定时钟信号，通常情况下，晶体谐振器精度高、可靠性较好，但成本较高。

针对外部时钟源（HSE/LSE），将时钟源分为 “晶振模式”（Crystal Mode） 和 “旁路模式”（Bypass Mode） 的分类依据是 “外部时钟源是否需要STM32内部振荡器提供激励”，核心区别在于 外部器件是否自带振荡电路。内部时钟源的振荡电路和RC网络 完全集成在STM32内部，无需外部元件，因此不存在“是否需要内部激励”的问题。而外部时钟源需根据 外部器件的类型决定是否启用STM32内部振荡器。

RCC 如何选择

本小节算是结论先行吧。“晶振模式”和“旁路模式” 可统称为“外部时钟模式”，两者的共同目标是为STM32提供 “外部时钟源”（区别于内部时钟源HSI/LSI），因此可统称为 “外部时钟配置模式”。有源晶振或外部时钟信号，它们都是直接接收外部信号，无需借助STM32内部电路驱动，统称为旁路模式，即 MX选项 BYPASS Clock Source。由于概念泛化或者什么历史因素，无论是陶瓷谐振器还是晶体谐振器，这种无源的谐振器，都可以统称为无源晶振，无源晶振本身不产生时钟信号，需配合STM32内部的晶体振荡器电路OSC来工作，此为晶振模式，即MX选项 Crystal/Ceramic Resonator。

旁路模式-有源晶振

曾经，我有一个疑问，使用有源晶振时，应该配置为那种模式，是旁路模式吗？直接接入外部有源时钟信号（由外部电路生成，如信号发生器、另一块MCU的时钟输出），此时STM32内部振荡器电路被旁路/BYPASS，时钟信号直接从引脚输入。

在一个工程下，我们分别将RCC配置为旁路模式和晶振模式，生成两套代码，来比较下驱动代码，看看到底哪里不同，

哈哈，全工程比较，就只有上述1行代码不同（和我的想象不太一样），我们继续追 HAL_RCC_OscConfig 函数，

  */
__weak HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(const RCC_OscInitTypeDef  *RCC_OscInitStruct) {.../* Set the new HSE configuration ---------------------------------------*/__HAL_RCC_HSE_CONFIG(RCC_OscInitStruct->HSEState);
}
//上述宏函数定义如下
#define __HAL_RCC_HSE_CONFIG(__STATE__)                         \do {                                        \if ((__STATE__) == RCC_HSE_ON)            \{                                         \SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);         \}                                         \else if ((__STATE__) == RCC_HSE_BYPASS)   \{                                         \SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEBYP);        \SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);         \}                                         \else                                      \{                                         \CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);       \CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEBYP);      \}                                         \} while(0U)

从上述代码分析可知，RCC_HSE_BYPASS 类型是包含了 RCC_HSE_ON 类型的操作的，其包含两步寄存器位设置操作。可以粗略的认为，设置完寄存器，剩下的过程，就交给CPU就跑就行了。从外层代码看，无论是晶振/旁路模式，都要等待启振，只耗时不同吧。

旁路模式-时钟信号

ST官方STM32F429开发板例程中，其HSE配置就是旁路模式，

通过评估板使用手册和电路原理图，可以清晰的卡到此时的旁路接线模式，

MCO 是 Microcontroller Clock Output 的缩写，即，微控制器时钟输出，是STM32芯片的一种特殊功能引脚，用于将内部时钟信号（如PLL输出、HSI、HSE等）通过GPIO引脚输出到外部，供调试或外部设备使用。评估板的STLink部分使用的是STM32F103，通过其PA8管脚完成 MCO 功能，并链接到 F429 的 PH0/PF0-OSC_IN 管脚，这就完成了时钟源旁路模式的硬件接线。另外，如果我们的板卡要共用背板上的时钟总线，此时的时钟源配置，也要是旁路模式。

频率冲突和计算

在MX时钟配置卡中，频率是会自动去计算的。但需要意识到的一点是，原始的时钟源，经过复用器、分频器、锁相环，以及MNPQ等参数的混合作用下，对于末端的频率值，可能不会满足各方需求，这时候自动频率计算就会产生频率冲突。我们以USB独立时钟和系统主时钟之间的冲突来进行说明。在启用USB2.0并配置其工作时钟的过程中，注意到一个现象，
前文提到，USB使用频率必须是48，不能是别的。这个48MHz的值，需要PLLM、PLLN，而PLLP到主时钟的线路也要用到它们，这样就可能会产生冲突。
在不启用USB的情况下，我们很容易将系统时钟配置为180MHz，

接下来我们启用USB，并配置其指定的工作频率48MHz，此时会触发以下自动时钟配置，

系统时钟被自动配置成了72MHz，这显然有点小啊。改回180MHz试试？

如上动图中，输入主时钟180，然后回车，MX将自动计算时钟配置解决方案，其内部可能要经过权重和多方面的分析，以得到最优解。当然也有可能无解，如上图的情况。想要PLLQ是48，同时HCLK=180，是没办法实现的。最终，

这个时候，你要去靠你的大脑做分析，并手动调整。如调整PLLN=168，然后修改USB-CLOCK和HCLK为目标值，并回车，触发自动分配。

时钟给谁用？

我在SPI编程实践的过程中，配置SPI时钟参数时，结合之前的知识，我给自己提出来这个问题。

这个问题看似不难回答，CPU、DMA、各种高速和低速外设都要依赖时钟来工作。更深的问题是，它们如何使用时钟？我会在后续文章中整理对于 STM32 总线矩阵架构的笔记，届时再战吧！