STM32 最小系统_时钟_电路

单片机最小系统是指用最少的电路组成单片机可以事情的系统，常日最小系统包含：电源电路、时钟电路、复位电路、调试/下载电路，对付STM32还须要启动选择电路。

不同的MCU的事情电压可能是不一样的，比如51单片机常日为5V，而STM32单片机常日为3.3V。
因此，常日须要查阅该MCU的数据手册才能确定事情电压和规范。

打开“2_官方资料”的《1_STM32F103xE数据手册【主要】.pdf》（后简称，《数据手册》），找到“5.1.6Power supply scheme”电源方案小结，可以看到如图 5.2.1 框图。

结合《数据手册》“5.3.1 General operating conditions”的表 5.2.1 ，可得知上图中的各电压值大小。

VDD-VSS：标准事情电压；电压范围：2V~3.6V；从VDD1 ~ VDD11，VSS1 ~VSS11共有11组；须要11个100nF 和1个4.7uF去耦电容；经由MCU内部Regulator电源管理，为CPU、存储器等供电；VDDA-VSSA：仿照事情电压；电压范围：2V~3.6V(未利用ADC) 2.4V~3.6V(利用ADC)；须要1个10nF和1个1uF去耦电容；由VDDA输入，为ADC、DAC等供电；VREF±VREF-：基准参考电压；电压范围：2.4V~ VDDA；可以利用独立参考电压VREF(需10nF+1uF高频滤波电容)，也可利用VDDA输入，为ADC、DAC等作基准参考电压；VBAT：RTC备用电源；电压范围：1.8V~ 3.6V；常日利用纽扣电池外部供电，当主电源VDD掉电后，VBAT为实时时钟（Real-Time Clock，RTC）和备份寄存器供电（此时功耗超低）；

从数据手册理解到以上知识后，再来看看事理图第三页的MCU电源部分。
左边的U1B（U1A和U1B共同组成U1，即MCU）是MCU所有电源干系引脚，可以看到VDDA 、VDD1 ~ VDD11、 VREF+都直接接在了VDD_3V3上（3.3V），VSSA 、VSS1 ~ VSS11、 VREF-都接在了GND上，VBAT接在了VDD_BAT上。
右边是一系列退耦电容，这些电容在Layout（PCB布局走线）时，须要均匀分布在每组电源引脚附近。
此时，MCU电源部分符合数据手册的哀求。

前面VDD_3V3须要外部供应给MCU，也便是通过电源适配器供应，而一样平常的电源适配器常日为5V或 12V，因此还须要电源转换电路，将外部输入的12V或5V转换为3.3V。
下图 5.2.3、图 5.2.4、图 5.2.5分别为12V电源输入电路、12V转5V电路、5V转3.3V电路，在5V转3.3V电路中有一个赤色LED灯，用于提示用户全体系统电源正常事情，该部分电路读者仅作理解即可。

末了再看看RTC电源电路，在外部12V输入时，VDD_3V3为3.3V，而J5的纽扣电池约为3V，D5为肖特基二极管，此时VDD_3V3大于纽扣电池电压，因此由VDD_3V3供电。
当外部12V无输入时，VDD_3V3为0V， 而J5的纽扣电池约为3V，此时VDD_3V3小于纽扣电池电压，由纽扣电池供电，担保RTC连续运行，电路如图 5.2.6 所示。

时钟电路

MCU是一个集成芯片，由非常繁芜的数字电路和其它电路组成，须要稳定的时钟脉冲旗子暗记才能担保正常事情。
时钟犹如人体内部的心脏一样，心脏跳动一下，推动血液流动一下。
时钟产生一次，就推动处理器实行一下指令。
除了CPU，芯片上所有的外设(GPIO、I2C、SPI等)都须要时钟，由此可见时钟的主要性。

芯片运行的时钟频率越高，芯片处理的速率越快，但同时功耗也越高。
为了功耗和性能兼顾，微处理器一样平常有多个时钟源，同时还将时钟分频为多个大小，适配不同需求的外设。

由《数据手册》可得到如图 5.2.7 所示的时钟树，这里只关心时钟源，时钟的分配利用放在后面讲解。

可以看到一共有四个时钟源：

①HSI(High Speed Internal clock signal)：

HSI是内部的高速时钟旗子暗记，频率8MHz。
由于是内部供应，可以降落本钱，缺陷是精度较差。

②HSE(High Speed External clock signal):

HSE是外部的高速时钟旗子暗记，须要外部电路晶振，输入频率范围哀求为4-16MHz。
由于须要外部电路供应，本钱会增加，但精度较好。

③LSE(Low Speed External clock signal):

LSE是外部的低速时钟旗子暗记，须要外部电路晶振，输入频率范围哀求为32.768KHz。
一样平常用于RTC实时时钟。

④LSI(Low Speed Internal clock signal)：

LSI是内部的低速RC振荡器，频率40KHz。
一样平常用于看门狗、RTC实时时钟等。

对付STM32F103系列的MCU，都须要一个高速时钟和一个低速时钟，而这两个时钟可以选择利用内部时钟源节约本钱，也可以选择外部时钟源输入提高精度。
如果利用内部时钟源，则无需设计外部电路，反之，则须要时钟电路。

连续查看《数据手册》，可以看到如图 5.2.8 和图 5.2.9 所示的外部时钟输入参考电路。
手册上提到对付HSE，当晶振为8MHz时，CL1和CL2的容值范围为5pF~25pF。
REXT用于产生负反馈，担保放大器事情在高增益的线性区，同时也起到限流浸染，常日在兆欧级，详细由晶振决定。

对付LSE，当晶振为32.768KHz时，CL1和CL2的容值范围为5pF~15pF。
之以是选择32.768KHz，是由于32768=215，分频设置寄存器常日为2n的形式，这样经由15次分频就很随意马虎得到1Hz的频率。

从数据手册理解到以上知识后，再来看看事理图第三页的时钟电路部分，如图 5.2.10 所示。
高速时钟和低速时钟都可由外部供应，且电路设计与数据手册同等。

晶振旁的负载电容，应选择高质量陶瓷电容（NPO)，以知足高频率场合。
在Layout（PCB布局走线）时，晶振和负载电容，应尽可能的靠近MCU，以减少输出失落真和启动时的稳定韶光，担保振荡器可靠事情。

复位电路

嵌入式系统中，由于外界环境滋扰，难免涌现程序跑飞或去世机，这时就须要复位让MCU重新运行。
查看《参考手册》，可见如图 5.2.11 所示复位电路。
该电路将一个按键接在了NRST引脚，一旦按键按下，NRST就会接地，拉低NRST，实现复位。

再来看看事理图上的复位电路，如图 5.2.12 所示。
当开拓板正常事情时，VDD_3V3上拉NRST， POWER_EN为前面12V转5V电源芯片的使能引脚，此时被电源芯片钳位在6.5V。
当SW1被按下，D1为肖特基二极管，NRST和POWER_EN都会导通接地，拉低NRST和POWER_EN，使MCU复位，同时断开系统供电。

调试/下载电路

不同的MCU，调试/下载的办法可能不一样。
比如51系列单片机，利用串口下载程序，同时也利用仿真调试。
对付STM32，可以利用串口下载程序，也能利用串口打印进行大略调试，但STM32支持更高效的JTAG（Joint Test Action Group）调试接口和SWD（Serial Wire Debug）调试接口。

该电路比较大略，所涉及的引脚参考表 3.4.1，事理图如图 5.2.13 所示。

启动选择电路

不同的MCU，启动的办法的种类可能不一样。
比如51系列单片机，只能从内置存储器读取数据启动，因此没有启动选择的必要。
对付STM32，可以从内置存储器启动（默认），可以从系统存储器（用于从USART1下载程序），可以从内部SRAM启动（调电消逝，可用于调试），涌现多个启动办法，就须要启动选择。

STM32通过BOOT1和BOOT2引脚的电平组合进行启动选择，组合办法和电路设计如图 5.2.14 所示。

当J1拨码开关的1、4脚断开（对应开拓板赤色拨码开关的1号拨码朝下），2、3脚任意（对应开拓板赤色拨码开关的2号拨码任意）。
此时BOO1为0，BOOT1任意，开拓板上电，MCU将从内部主存储器读取数据启动，是最常用的启动办法。

当J1拨码开关的1、4脚连接（对应开拓板赤色拨码开关的1号拨码朝上），2、3脚断开（对应开拓板赤色拨码开关的2号拨码朝下）。
此时BOO1为1，BOOT1为0，开拓板上电，MCU将从系统存储器读取数据启动，在系统存储器里面厂家烧写的串口下载程序，此时可以通过USART1烧写新程序到主存储器。

当J1拨码开关的1、4脚连接（对应开拓板赤色拨码开关的1号拨码朝上），2、3脚连接（对应开拓板赤色拨码开关的2号拨码朝上）。
此时BOO1为1，BOOT1为1，开拓板上电，MCU将直接从内部SRAM启动，SRAM的烧写次数寿命比Flash更多，可用于调试。

各启动模式的启动示意图如图 5.2.15 所示。
常日，我们只利用主存储器启动即可。
从系统存储器启动，实现从串口下载程序也逐渐被淘汰，STM32的高端MCU已经不支持该办法下载。
从SRAM启动也没什么必要，目前Flash的烧写寿命次数也远远超过用户实际烧写次数。

【总结】

本小结带领读者学习了如何读事理图，也对STM32的最小系统有了一些理解。
后面的电路浩瀚，在剖析某个电路时，结合干系手册的参考电路息争释， 加上不断积累，相信读者也能灵巧剖析事理图。