_STM32关于CPU超频的参考

MCU: STM32F407VET6

官方最高稳定频率：168MHz

工具：STM32CubeMX

本篇仅仅只是提供超频（默认指的是主频）的简单方法，并未涉及STM32超频极限等问题。原理很简单，通过设置锁相环的倍频系数达到不同的频率，从而实现超频。需要注意的是，运行时切换频率不能直接修改，因为此时用的HSE时钟是经由锁相环产生的，直接修改锁相环会出现问题。解决办法是，切换为HSI并关闭锁相环，然后重新配置锁相环，最后再重新切换HSE。

最后切记，超频有风险！！

一、时钟配置

使用STM32CubeMX可以很方便地配置时钟树，配置时钟树时需要先知道开发板所用的外部晶振频率。从下图可知晓，使用的外部晶振为12MHz

然后经由STM32CubeMX自动配置时钟树，从这里可以看到锁相环里能看到M、N、P三个参数，其中N是倍频系数，最高可达432。这里我们目标是配置为168MHz，即官方标称频率

使用STM32CubeMX生成代码后，我们可以在Core/Src目录下找到main.c中的SystemClock_Config函数。从代码中可以轻易看到，PLLM、PLLN、PLLP就是前面看到的M、N、P三个参数。同时由于外部晶振频率为12MHz，自动配置过程中，M和P分频系数分别为6和2恰好可以把12MHz分频为1MHz，使得倍频系数即为主频频率（MHz）。

后面超频时，利用的就是下面代码。
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  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 = 6;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  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;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

二、超频

根据前面所言，运行时直接修改所用的时钟会发生错误，所以需要切换时钟源后再修改。下面两个函数用于切换时钟源

void SystemClock_SwitchToHSI(void)
{
    // 将系统时钟切换到 HSI
    __HAL_RCC_SYSCLK_CONFIG(RCC_SYSCLKSOURCE_HSI);

    // 等待时钟切换完成
    while (__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE() != RCC_SYSCLKSOURCE_STATUS_HSI) {}
}




void SystemClock_SwitchToPLL(void)
{
    // 将系统时钟切换到 PLL
    __HAL_RCC_SYSCLK_CONFIG(RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK);

    // 等待时钟切换完成
    while (__HAL_RCC_GET_SYSCLK_SOURCE() != RCC_SYSCLKSOURCE_STATUS_PLLCLK) {}
}

接下来，在系统时钟配置函数的基础上，修改代码。在配置PLL前，先禁用全局中断，防止时钟中断等影响配置过程，然后切换时钟源为HSI并禁用锁相环

    // 禁用全局中断
    __disable_irq();

    // 切换到 HSI
    SystemClock_SwitchToHSI();

    // 禁用 PLL
    __HAL_RCC_PLL_DISABLE();

然后是配置PLL过程，此时参考系统时钟初始化代码，其中plln是传入的形参变量（锁相环倍频系数）。需要注意的是主频频率提高后，Flash的等待周期要相应延长，原为FLASH_LATENCY_5，这里简单判断了一下，如果大于168MHz，就延长为FLASH_LATENCY_7

    // 配置 PLL
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    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 = 6;       // HSE 分频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = plln;    // PLL 倍频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2; // PLLP 分频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;       // PLLQ 分频系数

    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {

        Error_Handler();
    }

    // 配置系统时钟
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
    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;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    // 设置 Flash 等待周期
    uint32_t flash_latency = (plln <= 168) ? FLASH_LATENCY_5 : FLASH_LATENCY_7;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, flash_latency) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

最后是切换为PLL，并重新启用全局中断

    // 切换到 PLL
    SystemClock_SwitchToPLL();

    // 重新启用全局中断
    __enable_irq();

完整代码如下，再次提醒，此代码是以外部晶振为12MHz的前提下有STM32CubeMX生成的，使用时需根据自身情况修改

/**
 * @brief 设置系统时钟频率
 * @param plln 锁相环倍频
 * @details 基于外部晶振为12MHz的配置
 */
void SystemClock_SetFrequency(uint32_t plln)
{
    // 禁用全局中断
    __disable_irq();

    // 切换到 HSI
    SystemClock_SwitchToHSI();

    // 禁用 PLL
    __HAL_RCC_PLL_DISABLE();

    // 配置 PLL
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    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 = 6;       // HSE 分频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = plln;    // PLL 倍频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2; // PLLP 分频系数
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;       // PLLQ 分频系数

    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {

        Error_Handler();
    }

    // 配置系统时钟
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
    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;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    // 设置 Flash 等待周期
    uint32_t flash_latency = (plln <= 168) ? FLASH_LATENCY_5 : FLASH_LATENCY_7;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, flash_latency) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 切换到 PLL
    SystemClock_SwitchToPLL();

    // 重新启用全局中断
    __enable_irq();
}

此时可另写两个函数，其一为默认配置，以便能从超频状态返回标准状态；其二为超频状态，建议不要设太高，推荐200~216MHz。提高主频后，也会提高其他时钟线，进而会对外设产生影响。此时需要注意一些如USB、以太网等对频率要求很高的外设，需要重新设置参数。

/**
  * @brief  超频
  * @param  无
  * @retval 无
  * @details 通过超频可以提升至 200MHz~216MHz，这里默认使用216MHz
  */

void SystemClock_Overclock()
{
    SystemClock_SetFrequency(216);
}

/**
 * @brief 默认系统时钟初始化
 * @details 最高稳定频率为168MHz
 */
void SystemClock_DefaultConfig()
{
    SystemClock_SetFrequency(168);
}

HAL中，对定时器的频率设置是依赖于全局变量SystemCoreClock，由HAL_RCC_ClockConfig来更新，使用HAL_RCC_GetPCLK1Freq等函数可以实现自动纠正频率，下面代码可以作为参考

#include "stm32f4xx_hal.h"

/**
  * @brief  设置定时器频率
  * @param  htim: 定时器句柄（如 &htim2）
  * @param  target_freq: 目标频率（单位：Hz）
  * @retval HAL_StatusTypeDef: 成功返回 HAL_OK，失败返回 HAL_ERROR
  */
HAL_StatusTypeDef Timer_SetFrequency(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t target_freq)
{
    uint32_t timer_clock_freq; // 定时器时钟源频率
    uint32_t psc_value;        // 预分频器值

    // 获取 APB 总线时钟频率
    if (htim->Instance == TIM2 || htim->Instance == TIM3 || htim->Instance == TIM4 || htim->Instance == TIM5 ||
        htim->Instance == TIM9 || htim->Instance == TIM10 || htim->Instance == TIM11)
    {
        // APB1 定时器
        timer_clock_freq = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
        if (RCC->CFGR & RCC_CFGR_PPRE1_2) // 检查 APB1 预分频器
        {
            timer_clock_freq *= 2; // 如果预分频器不为 1，时钟频率乘以 2
        }
    }
    else
    {
        // APB2 定时器
        timer_clock_freq = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
        if (RCC->CFGR & RCC_CFGR_PPRE2_2) // 检查 APB2 预分频器
        {
            timer_clock_freq *= 2; // 如果预分频器不为 1，时钟频率乘以 2
        }
    }

    // 检查目标频率是否有效
    if (target_freq == 0 || target_freq > timer_clock_freq)
    {
        return HAL_ERROR; // 目标频率无效
    }

    // 计算预分频器值
    psc_value = (timer_clock_freq / target_freq) - 1;

    // 检查预分频器值是否超出范围
    if (psc_value > 0xFFFF)
    {
        return HAL_ERROR; // 预分频器值超出 16 位范围
    }

    // 设置定时器预分频器
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(htim, psc_value);

    return HAL_OK;
}

其参考的是STM32CubeMX生成的“系统”定时器（这里使用的是TIM7）的初始化代码

/*用于配置供HAL使用基础时钟，频率为1KHz*/
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
    RCC_ClkInitTypeDef clkconfig;
    uint32_t uwTimclock, uwAPB1Prescaler = 0U;

    uint32_t uwPrescalerValue = 0U;
    uint32_t pFLatency;
    HAL_StatusTypeDef status;

    /* Enable TIM7 clock */
    __HAL_RCC_TIM7_CLK_ENABLE();
    /* Get clock configuration */
    HAL_RCC_GetClockConfig(&clkconfig, &pFLatency);
    /* Get APB1 prescaler */
    uwAPB1Prescaler = clkconfig.APB1CLKDivider;
    /* Compute TIM7 clock */
    if (uwAPB1Prescaler == RCC_HCLK_DIV1)
    {
        uwTimclock = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
    } else
    {
        uwTimclock = 2UL * HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
    }

    /* Compute the prescaler value to have TIM7 counter clock equal to 1MHz */
    uwPrescalerValue = (uint32_t) ((uwTimclock / 1000000U) - 1U);

    /* Initialize TIM7 */
    htim7.Instance = TIM7;

    /* Initialize TIMx peripheral as follow:

    + Period = [(TIM7CLK/1000) - 1]. to have a (1/1000) s time base.
    + Prescaler = (uwTimclock/1000000 - 1) to have a 1MHz counter clock.
    + ClockDivision = 0
    + Counter direction = Up
    */
    htim7.Init.Period = (1000000U / 1000U) - 1U;
    htim7.Init.Prescaler = uwPrescalerValue;
    htim7.Init.ClockDivision = 0;
    htim7.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim7.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
// 考虑到LVGL初始化会死循环

    status = HAL_TIM_Base_Init(&htim7);
    if (status == HAL_OK)
    {
        /* Start the TIM time Base generation in interrupt mode */
        status = HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim7);
        if (status == HAL_OK)
        {
            /* Enable the TIM7 global Interrupt */
            HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM7_IRQn);
            /* Configure the SysTick IRQ priority */
            if (TickPriority < (1UL << __NVIC_PRIO_BITS))
            {
                /* Configure the TIM IRQ priority */
                HAL_NVIC_SetPriority(TIM7_IRQn, TickPriority, 0U);
                uwTickPrio = TickPriority;
            } else
            {
                status = HAL_ERROR;
            }
        }
    }

    /* Return function status */
    return status;
}