4. 时钟系统与定时器：系统时钟树解析、PLL配置、SysTick定时器、通用定时器PWM输出

时钟，说白了就是芯片的心脏。没有时钟，CPU没法跑，外设也动不了。我刚开始接触ARM裸机时，总觉得时钟配置就是改几个寄存器的事，后来才发现——时钟树要是没理清楚，整个系统跑起来都是乱的。

这一章，咱们就好好捋一捋ARM芯片的时钟系统。从时钟树怎么走，到PLL怎么配，再到SysTick和通用定时器的实战用法。嗯，内容不少，但都是硬货。

4.1 系统时钟树解析

先看一张图，把时钟树的整体结构搞清楚。

这张图我画了好几次才满意。你看，时钟源有好几个：HSI（内部高速）、HSE（外部晶振）、LSI（内部低速）、LSE（外部32.768kHz）。它们经过PLL倍频，再通过选择器决定SYSCLK，最后分频给AHB、APB1、APB2总线。

4.2 PLL配置实战

PLL配置，说白了就是算乘法。输入8MHz，想要72MHz，那就得×9。但实际没这么简单，还得考虑分频系数。

我习惯用STM32F103来举例。它的PLL公式是这样的：

PLL输出 = (HSE / M) × N / P

其中：

• M：预分频系数，通常设为HSE频率值（比如8MHz就设8）
• N：倍频系数，范围192~432
• P：主分频系数，可选2、4、6、8

举个例子：外部晶振8MHz，目标SYSCLK 72MHz。

PLL输出 = (8MHz / 8) × 360 / 2 = 180MHz  // 不对！超了！
PLL输出 = (8MHz / 8) × 144 / 2 = 72MHz   // 正确

实际代码怎么写？我一般这样配：

// 配置PLL，HSE=8MHz，目标SYSCLK=72MHz
RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;                    // 开启HSE
while(!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY));          // 等待HSE稳定

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSE;           // PLL源选HSE
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9;             // 倍频×9 → 72MHz

RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;                    // 开启PLL
while(!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));          // 等待PLL锁定

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;               // 切换SYSCLK到PLL
while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL); // 等待切换完成

4.3 SysTick定时器

SysTick是ARM Cortex-M内核自带的24位递减定时器。说白了，它就是给操作系统做时间片轮转用的，但裸机里我们常用它做精确延时。

它的工作原理很简单：从重装载值开始递减，减到0就触发中断，然后自动重装。24位，最大计数值2^24-1。

我一般这样初始化SysTick做1ms中断：

// 系统时钟72MHz，配置SysTick为1ms中断
void SysTick_Init(void)
{
    // 重装载值 = 72000000 / 1000 = 72000
    SysTick->LOAD = 72000 - 1;
    SysTick->VAL = 0;
    SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |  // 使用系统时钟
                     SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |    // 使能中断
                     SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;      // 使能定时器
}

然后在中断里维护一个全局变量：

volatile uint32_t sysTickUptime = 0;

void SysTick_Handler(void)
{
    sysTickUptime++;
}

// 毫秒延时
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    uint32_t start = sysTickUptime;
    while((sysTickUptime - start) < ms);
}

4.4 通用定时器PWM输出

通用定时器比SysTick复杂多了。它有多种模式：定时、输入捕获、输出比较、PWM生成。咱们重点说PWM。

PWM的核心参数就两个：频率和占空比。频率由定时器时钟和自动重装载值决定，占空比由比较值决定。

看个例子，用TIM2输出1kHz、50%占空比的PWM：

// 假设APB1时钟=36MHz，定时器时钟=72MHz（APB1预分频≠1时翻倍）
void TIM2_PWM_Init(void)
{
    // 1. 使能TIM2时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    
    // 2. 配置GPIO为复用推挽输出（PA0为TIM2_CH1）
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0_Msk;
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1;  // 复用推挽输出
    
    // 3. 配置定时器
    TIM2->PSC = 72 - 1;             // 预分频：72MHz/72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 1000 - 1;           // 自动重装：1MHz/1000 = 1kHz
    TIM2->CCR1 = 500;               // 比较值：50%占空比
    
    // 4. 配置PWM模式
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;  // PWM模式1
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE;                       // 预装载使能
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;                          // 使能输出
    
    // 5. 使能定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

4.5 定时器时钟的坑

这里有个容易忽略的点：定时器时钟可能比APB总线快一倍。为什么？

看STM32的时钟树：如果APB1预分频系数不是1，那么定时器时钟 = APB1时钟 × 2。比如APB1=36MHz（预分频=2），定时器时钟就是72MHz。

我整理了个表格，方便对照：

APB1预分频	APB1时钟	定时器时钟
1	72MHz	72MHz
2	36MHz	72MHz
4	18MHz	36MHz
8	9MHz	18MHz

4.6 实战：呼吸灯效果

把前面学的串起来，做个呼吸灯。原理很简单：不断改变PWM占空比，从0到100再到0，循环。

void breath_led(void)
{
    static uint8_t direction = 0;  // 0:增加, 1:减少
    static uint16_t duty = 0;
    
    TIM2->CCR1 = duty;
    
    if(direction == 0) {
        duty += 10;
        if(duty >= 1000) direction = 1;
    } else {
        duty -= 10;
        if(duty <= 0) direction = 0;
    }
}

把这个函数放在SysTick中断里，每10ms调用一次，就能看到LED慢慢变亮再慢慢变暗。效果很直观，调试也方便。