第一章 STM32F407时钟系统架构

1.1 关于时钟

1.1.1 时钟信号

从电气属性上来说，时钟就是具有周期性的脉冲信号，这种信号是占空比为 50% 的方波。

1.1.2 单片机上的时钟

时钟是单片机运行的基础，时钟信号控制着单片机内部每个部分执行指令的节奏，让单片机内部的外设组件可以进行同步的协同工作，并且与外部设备通讯时达到同步的一个功能。

时钟系统就像 CPU 的“心跳”，决定 cpu 运行速度。整个 MCU 只有一个主时钟源，具体通过“选择器、倍频器、分频器”等模块进行处理后，分配到各个外设。

只有有了时钟，才能驱动指令的执行，才能控制各模块的功能处理（比如 GPIO、串口、ADC 等），没有时钟，这些模块都无法正常工作。

此外，在STM32中的时钟，还具备动态调整时钟频率的强大功能，通过调节频率，可以控制整个芯片的性能与能耗的关系，例如我们电脑上的 安静模式 、均衡模式 、野兽模式。

1.2 关于时钟树

STM32F407 的时钟系统是一个“分布式树状结构”，通过选择、倍频、分频等多个过程，把主时钟源经过一系列处理后传输给各个外设模块。

通俗理解：就像自来水厂出来的水（主时钟源），通过不同管道（分频器、倍频器）送到不同小区（外设模块），每一处都有自己的流量调节开关（选择器）。

STM32 支持多种时钟源，分为 内部时钟源 和 外部时钟源，分别可开启或关闭，每个时钟源都可以启用(enable)，也可以关闭(disable)。

1.2.1 主要时钟源

缩写英文全称中文全称材料
HSEHigh Speed External外部高速时钟晶体/陶瓷
HSIHigh Speed Internal内部高速时钟
LSELow Speed External外部低速时钟
LSILow Speed Internal内部低速时钟
PLLPhase lock loop锁相环倍频后得到的时钟
H :  High         高
L :  Low           低
S :  Speed     速度
I  :  Interior   内部
E:   External 外部

1.2.2 时钟树结构图

在上面的时钟树图中，有几个比较重要的器件，需要读者提前了解，才能开始后续的内容，分别是 选择器 、 倍频器 以及 分频器 ，器件外观入下图所示，接下来，将对这三个器件进行讲解。

1.2.3 选择器

选择器在 STM32 的时钟树中扮演着“决策者”的角色。它负责从多个时钟源中挑选一个作为主系统时钟（SYSCLK）。这个“主时钟”将决定整个系统的运行节奏。

在 STM32F407 中，SYSCLK 的来源通常有以下三种：

  • HSI（High-Speed Internal）：高速内部时钟，芯片内自带的 16MHz RC 振荡器；

  • HSE（High-Speed External）：高速外部时钟，通常接 8MHz 外部晶振；

  • PLLCLK（Phase-Locked Loop Clock）：锁相环倍频输出时钟，常用于提升系统主频。

举个例子：选择器就像 MCU 的“大脑”，要决定今天用哪种“心跳频率”来安排一整天的工作。

在系统启动或特定运行阶段，可以通过配置相关寄存器（如 RCC->CFGR 中的 SW 位）来选择适合当前应用的时钟源。

比如：

  • 上电启动时先用 HSI（启动快）；

  • 稳定后切换为 HSE 或 PLL（更精准高效）。

1.2.4 倍频器

倍频器（PLL）用于提升时钟频率，以满足主频要求较高的应用场景。STM32 中的锁相环 PLL（Phase Locked Loop）模块就是一个典型的倍频器。

例如：

  • 原始时钟是 HSE=8MHz；

  • 通过 PLL 设置后可以将其提升至 168MHz；

  • 达到 STM32F407 的最高主频。

通俗理解：就像汽车的变速箱，可以让“原始动力”变得更强劲，从而推动整车跑得更快。

倍频器的实现原理是“相位锁定技术”：

  • 将输入时钟与一个可控振荡器进行比较；

  • 控制振荡器频率，使其与输入信号保持固定相位关系；

  • 最终输出一个频率更高但稳定的时钟信号。

这是实现高速、稳定运行的关键手段。

1.2.5 分频器

分频器是用于降低时钟频率的装置。不是所有模块都需要高频率时钟，某些外设（如低速串口、定时器等）工作时只需要较低的频率，这时就需要将主系统时钟“降速”。

STM32 的典型分频输出如下：

  • HCLK：内核总线主时钟；

  • PCLK1：低速外设总线（如 USART2、I2C1）；

  • PCLK2：高速外设总线（如 USART1、SPI1）。

类比：自来水主管道的压力太大，家里的水龙头需要装减压阀，才能正常用水。

例如：

  • 主系统时钟为 16MHz；

  • 若 PCLK1 分频为 16，则输出 1MHz 时钟信号给低速外设。

分频的系数通常可设置为 2、4、8、16 等整数倍，通过寄存器 RCC->CFGR 中的 HPRE（AHB分频器）、PPRE1（APB1分频器）、PPRE2（APB2分频器）进行配置。

模块功能说明举例
选择器选择系统主时钟源HSI / HSE / PLL
倍频器提高时钟频率HSE=8MHz → PLL=168MHz
分频器降低时钟频率SYSCLK=16MHz → PCLK=1MHz

三者配合完成 STM32 的主时钟系统配置，为 MCU 的各个模块和外设提供稳定、精准、可调的时钟信号。

1.3 HSE 外部高速时钟

1.3.1HSE时钟简介

HSE：High Speed External Clock signal，即高速的外部时钟。

来源：无源晶振（4-16M），通常使用8M。

作用：可不分频或2分频(频率/2)作为PLL锁相环的输入，还可直接不分频作为系统时钟，128分频作为外设RTC时钟的输入。

1.3.2 HSE时钟寄存器

HSE晶体可以通过设置时钟控制寄存器里RCC_CR中的HSEON位被启动和关闭，在时钟控制寄存器RCC_CR中的HSERDY位用来指示高速外部振荡器是否稳定。在启动时，直到这一位被硬件置’1’，时钟才被释放出来。

1.4 HSI 内部高速时钟

1.4.1 HSI时钟介绍

HSI：High Speed Internal Clock signal，高速的内部时钟。

来源：芯片内部，大小为 8M，当HSE故障时，系统时钟 会自动切换到HSI，直到HSE启动成功。

功能：可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入。HSI RC振荡器能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟。它的启动时间比HSE晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差

1.4.2 HSI时钟寄存器

时钟控制寄存器中的HSIRDY位用来指示HSI RC振荡器是否稳定。在时钟启动过程中，直到这一位被硬件置’1’，HSI RC输出时钟才被释放。HSI RC可由时钟控制寄存器中的HSION位来启动和关闭。如果HSE晶体振荡器失效，HSI时钟会被作为备用时钟源

1.5 LSE外部低速时钟

1.5.1 LSE时钟简介

LSE: low Speed External Clock signal，低速的外部时钟。

来源：LSE晶体是一个32.768kHz的低速外部晶体或陶瓷谐振器。它为实时时钟或者其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。

作用：直接作为RTC是时钟来源

1.5.3 LSE时钟寄存器

LSE晶体通过在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSEON位启动和关闭。在备份域控制寄存器(RCC_BDCR)里的LSERDY指示LSE晶体振荡是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬置’1’后，LSE时钟信号才被释放出来。

1.6 LSI 内部低速时钟

1.6.1 LSI 时钟简介

LSI: low Speed Internal Clock signal，低速的内部时钟。

来源：内部芯片，LSI RC担当一个低功耗时钟源的角色，它可以在停机和待机模式下保持运行，LSI时钟频率大约40kHz(在30kHz和60kHz之间)。

作用：为独立看门狗和自动唤醒单元(RTC)提供时钟。

1.6.2 LSI时钟寄存器

LSI RC可以通过控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSION位来启动或关闭在控制/状态寄存器(RCC_CSR)里的LSIRDY位指示低速内部振荡器是否稳定。在启动阶段，直到这个位被硬件设置为’1’后，此时钟才被释放。

1.7 PLLCLK锁相环

1.7.1 PLLCLK锁相环时钟简介

锁相环时钟：PLLCLK

来源：选择HIS振荡器除2或HSE振荡器为PLL的输入时钟，和选择倍频因子，必须在其被激活前完成。一旦PLL被激活，这些参数就不能被改动。

作用：内部PLL可以用来倍频HSI RC的输出时钟或HSE晶体输出时钟(倍频数2~16倍)，而经过倍频变成PLLCLK可以作为系统时钟源。

1、PLL 配置

PLL 有两个：主 PLL 和专用的 PLLI2S。它们都可以使用 HSE 或 HSI 作为时钟输入信号。

主PLL 需要将时钟输送到 系统时钟、USB、RNG、SDIO，入下图所示。

2、PLL内部工作原理

输入分频：HSE 或 HSI 时钟首先经过分频因子 M（2~63），进入 VCO（电压控制振荡器）。VCO 的输入时钟必须在 1 MHz 到 2 MHz 之间。例如，如果 HSE 设置为 8 MHz，M 设置为 8，则 VCO 的输入时钟为 1 MHz。

VCO 倍频：VCO 输入时钟经过倍频因子 N 进行倍频，输出的 VCO 时钟必须在 192 MHz 到 432 MHz 之间。例如，如果 N 设置为 336，则 VCO 输出时钟为 336 MHz。如果要超频系统时钟，可以调整 N。

输出分频：VCO 输出时钟会经过两个分频因子：

  • 分频因子 p：输出到系统时钟，可取 2、4、6、8，例如设置为 2，则得到 PLLCLK = 168 MHz。

  • 分频因子 Q：输出到USB/OTG FS/RNG/SDIO ，可取 4~15，但 USB 必须使用 48 MHz，因此 Q 设置为 7（即 336 MHz ÷ 48 MHz = 7）。

根据以上配置，PLL 时钟可以通过以下公式计算：

VCOCLK_IN = PLLCLK_IN / M = HSE / 8 = 1M
 
VCOCLK_OUT = VCOCLK_IN * N = 1M * 336 = 336M

PLLCLK_OUT=VCOCLK_OUT/P=336/2=168M

USBCLK = VCOCLK_OUT/Q=336/7=48

1.7.2 PLLCLK锁相环时钟寄存器

寄存器RCC_CR:PLLNO、PLLRDY

寄存器RCC_PLLCFGR：PLLM、PLLN、PLLP、PLLQ

1.8 SYSCLK 系统时钟

1.8.1 SYSCLK 系统时钟简介

系统时钟：SYSCLK，最高为 168M

来源：HSI（高速的内部时钟）、HSE（高速的外部时钟）、PLLCLK（锁相环输出时钟）。

如果系统时钟是由 HSE 经过 PLL 倍频之后的 PLLCLK 得到，当 HSE 出现故障的时候，系统时钟会切换为 HSI=16M，直到 HSE 恢复正常为止。

1.8.2 SYSCLK 系统时钟寄存器

时钟配置寄存器 CFGR 的 SW[1:0]作为系统时钟切换控制位。

1.9 AHB总线 HCLK时钟

1.9.1 AHB总线 HCLK时钟简介

HCLK时钟： 是 AHB（Advanced High-performance Bus）总线的时钟，负责为系统中所有连接到 AHB 总线的外设提供时钟。

来源：HCLK 时钟通常由系统时钟（如 PLL 或 HSI）提供，经过适当的分频后生成。

作用：HCLK 时钟为 AHB 总线上的外设提供时钟信号，确保这些外设的正常工作。其频率通常与系统时钟相关，分频因子取决于系统配置。

1.9.1 AHB总线 HCLK时钟寄存器

HCLK 时钟的分频因子可以通过 RCC_CFGR 寄存器进行配置。通过设置该寄存器中的相关位，可以调整 AHB 总线的时钟频率。

AHB分频：可以通过 RCC_CFGR 寄存器中的 HPRE 位来配置，选择分频因子，具体的分频值（如 1、2、4、8 等）会影响 HCLK 的输出频率。

1.10 APB1总线 PCLK1时钟

1.10.1 APB1总线 PCLK1时钟简介

PCLK1： 是 APB1 总线的时钟，最高频率为 42 MHz。

来源：PCLK1 时钟通常由 HCLK 时钟经过分频得到。通常配置为 PCLK1 = HCLK / 4，即 42 MHz。

作用：PCLK1 为 APB1 总线上的外设提供时钟，包括定时器、串口、I2C、SPI 等外设。当 PCLK1 进行 2 倍频时，可以提供高达 84 MHz 的时钟信号，主要用于为 APB1 总线上的定时器等外设提供时钟。

1.10.2 APB1总线 PCLK1时钟寄存器

PCLK1 时钟的分频因子可以通过 RCC_CFGR 寄存器中的 PPRE1[12:10] 位进行配置。该位设置决定了 PCLK1 的频率，通过选择不同的分频值，可以将 HCLK 时钟分频为 PCLK1。

1.11 APB1 总线 PCLK2时钟

1.11.1 APB1 总线 PCLK2时钟简介

PCLK2：是 APB2 总线的时钟，通常为 HCLK 或其他来源时钟经过分频后的输出。

来源：PCLK2 时钟通常由 HCLK 直接提供，或者经过 PLL 时钟的分频，具体取决于系统配置。

作用：PCLK2 时钟为 APB2 总线上的外设提供时钟，例如高级定时器、ADC、USART、SPI 等。

1.11.2 APB1 总线 PCLK2时钟寄存器

PCLK2 时钟的分频因子可以通过 RCC_CFGR 寄存器中的 PPRE2[15:13] 位进行配置。类似于 PCLK1，设置该位可以选择适当的分频值，来调整 PCLK2 的频率。

1.12 RTC时钟

1.12.1 RTC时钟简介

RTC 时钟： 用于实时时钟（RTC）功能，负责提供准确的时间和日期计时功能。

来源：RTC 时钟通常使用 LSE（外部低速时钟） 或 LSI（内部低速时钟） 作为时钟源。LSE 是一个低功耗的 32.768 kHz 晶体振荡器，而 LSI 是内部 RC 振荡器，提供约 40 kHz 的时钟频率。

作用：RTC 时钟用于提供定时功能，常用于系统断电或进入低功耗模式时继续保持时间准确性。

1.12.1 RTC时钟寄存器

RCC_BDCR 寄存器：用于配置 RTC 时钟源的选择。

  • RTCEN：使能 RTC 时钟。
  • RTCSRC：选择 RTC 时钟源（LSE 或 LSI）

1.13 MCO 时钟输出

1.13.1 MCO 时钟输出简介

MCO（Microcontroller Clock Output） 是一个时钟输出接口，允许微控制器将某些时钟信号输出到外部设备，以便这些设备同步工作。

作用：MCO 允许用户将系统时钟（如 HSE、HSI、PLL 等）输出到外部引脚，以便调试、测试或与其他外部设备同步时钟。

1.13.2 MCO 时钟输出寄存器

RCC_CFGR 寄存器：通过 MCO[1:0] 位选择时钟源。

第二章 时钟初始化

2.1 系统初始化函数

1.2.1 SystemInit 函数解析

STM32F4 的时钟系统初始化通过 system_stm32f4xx.c 文件中的 SystemInit() 函数完成。主要的系统时钟配置操作是通过 SystemInit() 调用 SetSysClock() 来实现的。我们可以首先来分析 SystemInit() 函数的代码：

1、 源码注释

/**

 * @}

 */

/** @addtogroup STM32F4xx_System_Private_Functions

 * @{
 */

/**

 * @brief  系统初始化函数
 *         初始化嵌入式 Flash 接口，配置 PLL，并更新系统时钟频率变量。
 * @param  无
 * @retval 无
 */

void SystemInit(void)
{
    /* FPU 设置 ------------------------------------------------------------*/
    #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
        // 设置 CP10 和 CP11 为完全访问权限
        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  
    #endif

    /* 重置 RCC 时钟配置为默认复位状态 ------------*/
    /* 设置 HSION 位，启用 HSI（内部高速时钟） */
    RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;

    /* 重置 CFGR 寄存器，清除时钟源配置 */
    RCC->CFGR = 0x00000000;

    /* 重置 HSEON, CSSON 和 PLLON 位，禁用外部高速晶振 (HSE)、时钟安全系统 (CSS) 和 PLL */
    RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;

    /* 重置 PLLCFGR 寄存器，清除 PLL 配置 */
    RCC->PLLCFGR = 0x24003010;

    /* 重置 HSEBYP 位，禁用外部高速晶振旁路 */
    RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

    /* 禁用所有中断 */
    RCC->CIR = 0x00000000;

    #if defined(DATA_IN_ExtSRAM) || defined(DATA_IN_ExtSDRAM)
        // 如果有外部 SRAM 或 SDRAM，则调用扩展内存控制函数
        SystemInit_ExtMemCtl();
    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */

    /* 配置系统时钟源、PLL 倍频和分频因子，
       配置 AHB/APB 预分频器和 Flash 设置 ----------------------------------*/
    SetSysClock();

    /* 配置向量表位置和偏移地址 ------------------*/
    #ifdef VECT_TAB_SRAM
        // 向量表在内部 SRAM 中
        SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; 
    #else
        // 向量表在内部 Flash 中
        SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; 
    #endif
}

2、代码解析

FPU 设置：如果目标系统中包含 FPU（浮点单元），则通过设置 CPACR 寄存器来允许访问浮点寄存器。

RCC 配置复位：清除 RCC（时钟控制）寄存器的设置，恢复为默认状态，确保所有时钟源和 PLL 配置是从一个已知的状态开始。

HSE 和 PLL 配置：通过配置外部时钟源 HSE 和 PLL 来提供更精确的系统时钟。

向量表配置：指定中断向量表的位置，是放在 SRAM 还是 Flash 中，依据具体应用选择。

1.2.2 SetSysClock函数解析

1、源码注释

static void SetSysClock(void)
{
  /******************************************************************************/
  /*            使用 HSE 作为系统时钟源并配置 PLL                           */
  /******************************************************************************/
  __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;
  
  /* 启用 HSE (外部高速晶振) */
  RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

  /* 等待 HSE 就绪，超时退出 */
  do
  {
    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
    StartUpCounter++;
  } while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

  /* 检查 HSE 是否准备好 */
  if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)
  {
    // HSE 启动成功
    HSEStatus = (uint32_t)0x01;
  }
  else
  {
    // HSE 启动失败
    HSEStatus = (uint32_t)0x00;
  }

  if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)
  {
    /* 启用电源电压调节器并设置工作模式 */
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;  // 启用电源控制
    PWR->CR |= PWR_CR_VOS;               // 设置电源电压调节器

    /* 配置 HCLK、PCLK1、PCLK2 的时钟分频器 */
    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;     /* HCLK = SYSCLK / 1 */
    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV4;    /* PCLK1 = HCLK / 4 */
    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV2;    /* PCLK2 = HCLK / 2 */

    /* 配置 PLL (由 HSE 时钟源驱动) */
    RCC->PLLCFGR = PLL_M | (PLL_N << 6) | (((PLL_P >> 1) - 1) << 16) |
                   (RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE) | (PLL_Q << 24);

    /* 启用 PLL */
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

    /* 等待 PLL 就绪 */
    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0)
    {
    }

    /* 配置 Flash 预取、指令缓存、数据缓存和等待状态 */
    FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTEN | FLASH_ACR_ICEN | FLASH_ACR_DCEN | FLASH_ACR_LATENCY_5WS;

    /* 选择 PLL 作为系统时钟源 */
    RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;

    /* 等待 PLL 成为系统时钟源 */
    while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL)
    {
    }
  }
  else
  {
    /* 如果 HSE 启动失败，可以在此处处理错误，或进行重试 */
  }
}

当然我们也可以修改这个函数，让他切换是时钟源，操作如下：

1.选择PLL作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;

2.选择HSI作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSI;

3.选择HSE作为系统时钟源

RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_SW));
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSE;

2、代码解析

HSE 启动：首先启用 HSE（外部高速晶振），然后通过循环等待 HSE 稳定。若启动失败，可以根据需求添加错误处理。

电源控制：启用电源调节器并设置电压模式。

时钟分频配置：配置 AHB、APB 时钟分频器，以确定各个外设时钟的频率。

PLL 配置：配置 PLL（锁相环）来增加时钟频率，具体包括倍频因子和时钟源选择。HSE 作为 PLL 的输入时钟源。

Flash 设置：设置 Flash 相关的缓存和延迟配置，以优化性能。

PLL 作为系统时钟：最后，选择 PLL 作为系统时钟源，等待 PLL 成为系统时钟源。

2.2 为硬件适配系统时钟（重点）

在前面的学习中，我们已经知道什么是外部高速时钟，并且也已经知道外部高速时钟是系统中的主要时钟来源，但是由于外部时钟并不是芯片内部的时钟，所以芯片没法知道这个晶振的参数大小，就需要我们来自己进行设定一些参数，让芯片可以正常的运行。

在下面的操作中，需要设定两个文件，分别是 stm32f4xx.h 用于设定晶振大小， 以及 system_stm32f4xx.c 文件，用于设定锁相环的分频系数。

2.2.1 准备工作

在进行设定之前，我们需要将 stm32f4xx.h 和system_stm32f4xx.c 两个文件的权限信息进行修改，需要去掉文件的只读属性。

2.2.2 配置外部晶振参数

通过原理图可知，开发板的所采用的时钟模块为 8MHz ，如下图：

image-20250413212201557

然后设定 stm32f4xx.h 文件中 HSE_VALUE 外部晶振为 8MHz，找到文件，操作如下图。

image-20250413212946921

2.2.3 配置锁相环预分配系数

配置 "system_stm32f4xx.c" 文件 PLL 倍频锁相环,将系统时钟设置为 168MHz

*-----------------------------------------------------------
*        PLL_M                                  | 8
*-----------------------------------------------------------
*        PLL_N                                  | 336
*-----------------------------------------------------------
*        PLL_P                                  | 2
*-----------------------------------------------------------
*        PLL_Q                                  | 7
*-----------------------------------------------------------
#define PLL_M      8
#define PLL_Q      7
#if defined (STM32F40_41xxx)
    #define PLL_N      336
    #define PLL_P      2
#endif
------------------------------------------------------------
// 计算公式： PLL 输出频率 = (外部时钟频率 * PLL_N) / PLL_M / PLL_P
// 例如：8MHz * 336 / 8 / 2 = 168MHz

设置入下图：

image-20250413213336776

第三章 SysTick定时器

3.1 相关介绍

什么是SysTick？

SysTick定时器也叫SysTick滴答定时器，它是Cortex-M3内核的一个外设，被嵌入在NVIC 中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15）。SysTick是一个24位的倒计数系统节拍计时器System Tick timer，每计数一次所需时间为1/SYSTICK，SYSTICK是系统定时器时钟，它可以直接取系统时钟，还可以通过系统时钟8分频后获取。当计数到0时，它就会从Load寄存器中自动重装定时初值，重新向下递减计数，如此循环往复。如果开启SysTick中断的话，当定时器计数到0，将产生一个中断信号。因此只要知道计数的次数就可以准确得到它的延时时间。只要不把CTRL寄存器中的ENABLE清0，它就永不停止。

SysTick作用？

在单任务引用程序中，因为其架构就决定了它执行任务的串行性，这就引出一个问题：当某个任务出现问题时，就会牵连到后续的任务，进而导致整个系统崩溃。要解决这个问题，可以使用实时操作系统（RTOS）。因为RTOS以并行的架构处理任务，单一任务的崩溃并不会牵连到整个系统。这样用户出于可靠性的考虑可能就会基于RTOS来设计自己的应用程序。SYSTICK存在的意义就是提供必要的时钟节拍，为RTOS的任务调度提供一个有节奏的“心跳”。微控制器的定时器资源一般比较丰富，比如STM32存在8个定时器，为啥还要再提供一个SYSTICK？原因就是所有基于ARM Cortex_M3内核的控制器都带有SysTick定时器，这样就方便了程序在不同的器件之间的移植。而使用RTOS的第一项工作往往就是将其移植到开发人员的硬件平台上，由于SYSTICK的存在无疑降低了移植的难度。SysTick定时器除了能服务于操作系统之外，还能用于其它目的：如作为一个闹铃，用于测量时间等。要注意的是，当处理器在调试期间被喊停（halt）时，则SysTick定时器亦将暂停运作。

SysTick 叫做系统滴答时钟、系统定时器，属于 Cortex-M4 内核中的一个外设(外围设备)，并且是24bit 向下递减 的计数器。

《STM32中文参考手册》P108 RCC 向 Cortex 系统定时器 (SysTick) 馈送 8 分频的 AHB 时钟 (HCLK)。SysTick 可使用此时钟作为时钟源，也可使用 HCLK 作为时钟源，具体可在 SysTick 控制和状态寄存器中配置。

注意：

  • 定时器的位数越多，定时时间更长。
  • 通过计数值间接计算定时时间，不能像操作系统直接调用函数实现延时或定时功能。

计数值，就是要进行多少个计数。

3.2 操作介绍

3.2.1 寄存器介绍

 SysTick寄存器说明在《Cortex-M3权威指南》（SysTick定时器章节）有说明：

1、SysTick->CTRL：控制及状态寄存器

位0：（使能）ENABLE位。和所有外设一样，在使用之前，都需要将使能位置1，也就是开启Systic定时器，写0则关闭。

位1：TICKINT位。它是和中断相关的位，SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SYSTICK异常（异常号：15）。Systick中断的优先级也可以设置。将这一位置1后，VAL寄存器中的值减到0时就会进入中断。如果写0，VAL寄存器中的值减到0时不会进入中断，会重新开始下一轮的计数。

位2：CLKSOURE位。它是用来选择时钟源的。Systick定时器有俩个时钟源，一个是内部时钟源，它的频率较高，一般和HCLK相同，另一个是外部时钟源，它的频率较低，是HCLK的八分之一。

位16：COUNTFALG位。这是一个状态位，它在计数的过程中是0，当VAL寄存器中的值减为0时，该位就会由硬件自动置1，并且该位只能读，不能写。

2、SysTick->LOAD：重装载数值寄存器

3、SysTick->VAL：当前数值寄存器

4、SysTick->CALIB：校准数值寄存器

3.2.2 库函数介绍

同样的，STM官方对Systick的使用也提供了库函数，让我们在使用的时候更加方便，不用挨个配置相关的寄存器。

1、时钟源选择库函数

在STM官方提供的库函数里的misc.c源文件中定义了时钟源选择库函数。
代码如下：

#define SysTick_CLKSource_HCLK_Div8    ((uint32_t)0xFFFFFFFB)
#define SysTick_CLKSource_HCLK         ((uint32_t)0x00000004)
#define IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SOURCE) (((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK) || \
                                       ((SOURCE) == SysTick_CLKSource_HCLK_Div8))
                                       
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_SYSTICK_CLK_SOURCE(SysTick_CLKSource));
  if (SysTick_CLKSource == SysTick_CLKSource_HCLK)
  {
    SysTick->CTRL |= SysTick_CLKSource_HCLK;
  }
  else
  {
    SysTick->CTRL &= SysTick_CLKSource_HCLK_Div8;
  }
}

2、计数初值配置函数

#define SysTick_LOAD_RELOAD_Pos 0                                             
#define SysTick_LOAD_RELOAD_Msk (0xFFFFFFul << SysTick_LOAD_RELOAD_Pos)        

#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos 2                                             
#define SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk (1ul << SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Pos)            

#define SysTick_CTRL_TICKINT_Pos 1                                             
#define SysTick_CTRL_TICKINT_Msk (1ul << SysTick_CTRL_TICKINT_Pos)              

#define SysTick_CTRL_ENABLE_Pos 0                                             
#define SysTick_CTRL_ENABLE_Msk (1ul << SysTick_CTRL_ENABLE_Pos)               

static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{ 
  if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            /* Reload value impossible */
                                                               
  SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;      /* set reload register */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);  /* set Priority for Cortex-M0 System Interrupts */
  SysTick->VAL   = 0;                                          /* Load the SysTick Counter Value */
  SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | 
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   | 
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                    /* Enable SysTick IRQ and SysTick Timer */
  return (0);                                                  /* Function successful */
}

3.3 延时函数

开篇就提到，Systick定时经常用来作延时使用，它本来的目的就是为了节省资源，节省定时器资源，所以我们在使用它定时的时候也要节省中断资源，采用部通过中断的方式来进行定时。

3.3.1 延时函数初始化

代码如下：

// 延时函数初始化

void Delay_Init(uint32_t SYSCLK)
{

    SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8); // 设置时钟源为HCLK/8

    DelayTime_us = SYSCLK / 8; // 计算每个us的时钟周期数

}

首先在程序中通过时钟源选择函数选择了外部时钟，对于STMF103ZET6芯片而言，此时的Systick时钟频率是HCLK时钟频率的八分之一，也就是72MHZ/8=9MHZ。

这里延时初始化的主要作用就是计算俩个因子fac_us和fac_ms。

fac_us：
这因子是一个值，它的意义是时间是1微秒，会有几个Systick时钟周期。SystemCoreClock的值是系统时钟频率，也就是72MHZ。

除以8000000可以看作是俩步，先除以8进行八分之一分频，得到的是9MHZ频率，再除以1000000得到的就是1微秒内Systick时钟周期的个数。

fac_ms:

这因子也是一个值，它的意义是时间是1毫秒，会有几个Systick时钟周期。因为us与ms的进率是1000，所以fac_ms的值就是在fac_us的值的基础上乘1000。

3.3.2 微秒级延时

// 延时函数 us

void Delay_us(uint32_t us)

{

    uint32_t temp = us * DelayTime_us;          // 计算延时的时钟周期数

    SysTick->VAL = 0;                           // 清空计数器

    SysTick->LOAD = temp;                       // 设置计数器的初始值

    SysTick->CTRL  = SysTick->CTRL | 0x01;      // 使能计数器

  

    while((SysTick->CTRL>>16 & 0x01) == 0);     // 等待计数到达

  

    SysTick->VAL = 0;

    SysTick->CTRL  = SysTick->CTRL & ~0x01;     // 禁用计数器

}