STM32 教學系列 第 2 節：時脈控制講解

🎯 學習目標 
 
 理解 STM32F446 的時脈架構 - 掌握振盪器、倍頻器、分頻器的概念 
 學會配置 Clock Tree - 透過 CubeMX 設定各組態的時脈分配 
 實現多時脈配置實驗 - 透過改變時脈速度觀察 LED 閃爍頻率變化 
 
 
 🎓 時脈系統基礎概念 
 為什麼需要時脈？ 
 STM32 微控制器內部的每個元件（CPU、外設、計時器）都需要時脈信號來同步運作。時脈越快，處理速度越快，但功耗也越高。 
 STM32F446 時脈來源 
 STM32F446 提供 3 種時脈源 ： 
 
 
 
 時脈源 
 頻率 
 精度 
 功耗 
 用途 
 
 
 
 
 HSI (內部高速振盪器) 
 16 MHz 
 ±2% 
 低 
 備用時脈、低功耗模式 
 
 
 HSE (外部高速振盪器) 
 8 MHz 
 ±1% 
 中等 
 主系統時脈（需晶振） 
 
 
 LSI (內部低速振盪器) 
 32 kHz 
 ±2% 
 很低 
 看門狗、RTC 
 
 
 
 PLL 倍頻原理 
 PLL (Phase-Locked Loop) 是一個電路，能將低頻時脈信號倍頻至高頻。例如： 
 
 輸入：8 MHz（HSE） 
 倍數：21 
 輸出：8 MHz × 21 = 168 MHz 
 
 STM32F446 的最大系統時脈為 180 MHz ，但實驗中常用 168 MHz （更穩定）。 
 分頻器作用 
 系統時脈（168 MHz）太快，不適合直接提供給所有外設。因此使用分頻器降低特定外設的時脈： 
 
 
 
 分頻器 
 功能 
 典型設定 
 
 
 
 
 AHB (HCLK) 
 CPU 和內存時脈 
 168 MHz / 1 = 168 MHz 
 
 
 APB1 (PCLK1) 
 低速外設（UART、I2C） 
 168 MHz / 4 = 42 MHz 
 
 
 APB2 (PCLK2) 
 高速外設（SPI、ADC） 
 168 MHz / 2 = 84 MHz 
 
 
 
 
 🛠️ Clock Tree 深度解析 
 Clock Tree 的流程圖 
 ┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 時脈源選擇 │
│ ├─ HSI (16 MHz) - 內部振盪器 │
│ ├─ HSE (8 MHz) - 外部晶振 │
│ └─ LSI (32 kHz) - 內部低速振盪器 │
└────────────┬────────────────────────────────────┘
 │
 ▼
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ PLL 倍頻（選擇性） │
│ 主要參數：PLLM / PLLN / PLLP / PLLQ │
│ 目標：8 MHz → 168 MHz │
└────────────┬────────────────────────────────────┘
 │
 ▼
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 系統時脈選擇（SYSCLK） │
│ ├─ HSI (16 MHz) │
│ ├─ HSE (8 MHz) │
│ └─ PLL (168 MHz) ← 常用 │
└────────────┬────────────────────────────────────┘
 │
 ▼
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ AHB 分頻器 │
│ 168 MHz / 1 = 168 MHz (HCLK) │
└────────────┬────────────────────────────────────┘
 │
 ┌────────┼────────┐
 ▼ ▼ ▼
 APB1 APB2 其他外設
 /4 /2
 ↓ ↓
 42MHz 84MHz
 
 PLL 倍頻計算 
 STM32F446 PLL 配置公式： 
 f_VCO = (f_HSE / PLLM) × PLLN
f_PLLCLK = f_VCO / PLLP
f_USB = f_VCO / PLLQ
 
 常用配置（HSE = 8 MHz）： 
 PLLM = 8 (預分頻：8 MHz / 8 = 1 MHz)
PLLN = 168 (倍頻：1 MHz × 168 = 168 MHz)
PLLP = 2 (主時脈分頻：168 MHz / 2 = 84 MHz) ❌ 這會得 84 MHz
PLLP = 2 (若要 168 MHz，應設定 PLLN = 336, PLLP = 2)
 
 更精確的配置（目標 168 MHz）： 
 PLLM = 8 (預分頻：8 MHz / 8 = 1 MHz)
PLLN = 336 (倍頻：1 MHz × 336 = 336 MHz)
PLLP = 2 (主時脈分頻：336 MHz / 2 = 168 MHz) ✅
 
 
 ⚙️ CubeMX 時脈配置步驟 
 步驟 1：開啟時脈配置界面 
 
 開啟之前的專案或建立新專案 
 雙擊 .ioc 檔案開啟 CubeMX 
 點擊 Clock Configuration 標籤 
 
 步驟 2：配置 HSE（8 MHz 晶振） 
 
 在「System Clock Mux」右側，點擊 HSE 下拉選單 
 選擇 Crystal/Ceramic Resonator 
 確認 HSE 頻率顯示為 8 MHz 
 
 步驟 3：配置 PLL 
 
 
 找到 PLL 配置區塊 
 
 
 設定以下參數： 
 
 PLLM : 8 
 PLLN : 336 
 PLLP : 2 (對應頻率應顯示 168 MHz) 
 PLLQ : 7 (用於 USB，通常保持預設) 
 
 
 
 若 PLLN 改為 336 後系統時脈仍未達 168 MHz，檢查 PLLP 是否為 2 
 
 
 步驟 4：選擇 PLL 作為系統時脈源 
 
 在「System Clock Mux」中，選擇 PLLCLK 
 確認 SYSCLK 顯示 168 MHz 
 
 步驟 5：配置 AHB 分頻器 
 
 在「System Clock Mux」下方，找到 AHB Prescaler 
 設定為 1 （不分頻，HCLK = 168 MHz） 
 
 步驟 6：配置 APB 分頻器 
 
 
 APB1 Prescaler 設為 4 
 
 結果：168 MHz / 4 = 42 MHz （適合 UART、I2C） 
 
 
 
 APB2 Prescaler 設為 2 
 
 結果：168 MHz / 2 = 84 MHz （適合 SPI、ADC） 
 
 
 
 步驟 7：驗證配置 
 
 ✅ 查看 CubeMX 下方的總結，應顯示：
 SYSCLK: 168 MHz
HCLK: 168 MHz
PCLK1: 42 MHz
PCLK2: 84 MHz
 
 
 
 
 💻 完整程式碼 - 時脈配置驗證 
 main.c - 多時脈驗證程式 
 /* STM32 Lesson 02 - Clock Configuration Verification
 * 功能：測試不同的時脈配置，透過 LED 閃爍頻率變化來驗證
 * 難度：中級
 */

#include "main.h"
#include "gpio.h"

/* 私有變數和函數 */
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
void LED_Blink(uint16_t delay_ms, uint8_t count);

/* 全域變數：存儲當前系統時脈速度 */
uint32_t SystemCoreClock = 168000000; /* 168 MHz */

int main(void)
{
 HAL_Init();
 
 /* 配置系統時脈為 168 MHz */
 SystemClock_Config();
 
 /* 初始化 GPIO */
 MX_GPIO_Init();
 
 /* 驗證系統時脈 */
 while (1)
 {
 /* 第一階段：快速閃爍 (5 次，100ms 間隔) - 表示 168 MHz */
 LED_Blink(100, 5);
 HAL_Delay(1000); /* 暫停 1 秒 */
 
 /* 第二階段：中速閃爍 (3 次，200ms 間隔) - 表示配置完成 */
 LED_Blink(200, 3);
 HAL_Delay(1000);
 
 /* 第三階段：慢速閃爍 (2 次，500ms 間隔) - 表示系統運行 */
 LED_Blink(500, 2);
 HAL_Delay(2000);
 }
}

/**
 * @brief LED 間隔閃爍函數
 * @param delay_ms: 每次亮/暗的延遲時間（毫秒）
 * @param count: 閃爍次數
 */
void LED_Blink(uint16_t delay_ms, uint8_t count)
{
 for (uint8_t i = 0; i < count; i++)
 {
 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); /* LED 亮 */
 HAL_Delay(delay_ms);
 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); /* LED 暗 */
 HAL_Delay(delay_ms);
 }
}

/**
 * @brief 系統時脈配置函數
 * 配置 HSE (8 MHz) → PLL 倍頻至 168 MHz
 */
void SystemClock_Config(void)
{
 RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
 RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

 /* 配置電源調節器 */
 __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
 __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

 /* 配置 RCC 振盪器 */
 RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
 RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8; /* 預分頻：8 MHz / 8 = 1 MHz */
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; /* 倍頻：1 MHz × 336 = 336 MHz */
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 2; /* 主輸出分頻：336 MHz / 2 = 168 MHz */
 RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; /* USB 時脈：336 MHz / 7 = 48 MHz */

 if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
 {
 Error_Handler();
 }

 /* 配置時脈分頻器 */
 RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
 RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
 RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; /* HCLK = 168 MHz */
 RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4; /* PCLK1 = 42 MHz */
 RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; /* PCLK2 = 84 MHz */

 /* Flash 延遲設定（高速時脈需要更多等待週期） */
 if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
 {
 Error_Handler();
 }

 /* 配置 SysTick 用於系統計時 */
 HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / 1000); /* 1ms 中斷一次 */
}

/**
 * @brief GPIO 初始化函數
 */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
 HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

/**
 * @brief 系統錯誤處理
 */
void Error_Handler(void)
{
 while (1)
 {
 HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); /* 快速閃爍表示錯誤 */
 HAL_Delay(100);
 }
}
 
 
 🔍 測試與除錯 
 預期結果 
 ✅ LED 閃爍模式序列 ： 
 
 5 次快速閃爍 （100ms）→ 系統時脈 168 MHz 正常 
 暫停 1 秒 
 3 次中速閃爍 （200ms）→ 時脈配置完成 
 暫停 1 秒 
 2 次慢速閃爍 （500ms）→ 系統穩定運行 
 暫停 2 秒後重複 
 
 常見問題與解決 
 
 
 
 問題 
 原因 
 解決方案 
 
 
 
 
 LED 不閃爍 
 PLL 配置失敗 
 檢查 CubeMX Clock Configuration，確認 PLLN 為 336，PLLP 為 2 
 
 
 閃爍節奏不對 
 HAL_Delay 計算錯誤 
 確認 SysTick 配置正確，系統時脈應為 168 MHz 
 
 
 編譯警告 「implicit conversion」 
 時脈值類型不匹配 
 確認 SystemCoreClock 變數型別為 uint32_t 
 
 
 程式掛起 
 Flash 延遲不足 
 檢查 FLASH_LATENCY_5 是否設定，高速時脈需更多等待週期 
 
 
 
 驗證時脈速度 
 方法 1：UART 輸出驗證（後續課程） 
透過串口列印 SystemCoreClock 值 
 方法 2：邏輯分析儀 
測量 PA5 的方波頻率，應為固定值 
 方法 3：計算驗證 
 
 若 HAL_Delay(100) 實際延遲 100ms，時脈正確 ✅ 
 
 
 📚 深入理解 
 Flash 存取延遲（FLASH_LATENCY） 
 快閃記憶體存取速度是有限的。當系統時脈增加時，需要增加等待週期（Latency）。 
 
 
 
 系統時脈 
 建議 LATENCY 
 
 
 
 
 0-30 MHz 
 0 
 
 
 31-60 MHz 
 1 
 
 
 61-90 MHz 
 2 
 
 
 91-120 MHz 
 3 
 
 
 121-150 MHz 
 4 
 
 
 151-168 MHz 
 5 
 
 
 
 
 📱 高階實驗 
 挑戰 1：低功耗時脈配置 
 修改代碼，使用 HSI (16 MHz) 而非 PLL： 
 /* 使用 HSI 代替 PLL（低功耗模式） */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_OFF; /* 關閉 PLL */

RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
 
 觀察 LED 閃爍速度是否變慢（因為系統時脈從 168 MHz 降至 16 MHz） 
 挑戰 2：動態時脈切換 
 實現在運行時在不同時脈間切換的函數 
 
 🔗 延伸學習 
 下節預覽 - 第 3 節：GPIO 進階（按鍵、中斷、去彈跳） 
 第 3 節將學習： 
 
 GPIO 輸入配置 - 按鍵檢測原理 
 中斷系統（EXTI） - 事件驅動編程 
 軟體去彈跳 - 解決按鍵抖動問題 
 
 相關資源 
 
 📘 STM32F446 Reference Manual - RCC章節 
 🔗 PLL 倍頻計算器（線上工具） 
 
 
 ✨ 時脈控制掌握完成！下節進入 GPIO 進階應用 🚀