单片机时钟系统

1、晶振的工作原理
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效这制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊―根引线接到管脚上﹐再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器﹐简称为石英晶体或晶体﹑晶振。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

2、晶体振荡器的分类
电脑中的晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。
无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。
晶体是有2个引脚或者4个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来;有源晶振有4个引脚或者6个引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件﹐因此体积较大。

3、单片机的内部时钟与外部时钟
单片机有内部时钟方式和外部时钟方式两种:
( 1）单片机的XTAL1和XTAL2内部有一片内振荡器结构，但仍需要在XTAL1和XTAL2两端连接一个晶振和两个电容才能组成时钟电路﹐这种使用晶振配合产生信号的方法是内部时钟方式;
( 2）单片机还可以工作在外部时钟方式下，外部时钟方式较为简单，可直接向单片机XTAL1引脚输入时钟信号方波，而XTAL2管脚悬空。
外部时钟方式相对内部时钟较为方便，大多数单片机系统还是选择内部时钟方式。这是因为单片机的内部振荡器能与晶振、电容构成一个性能非常好的时钟信号源,而如果要产生这样的信号作为外部时钟信号输入到单片机中，则需要添加的器件远不止一个晶振和两个电容这么简单。
晶振是给单片机提供工作信号脉冲的,这个脉冲就是单片机的工作速度。比如12M晶振单片机工作速度就是每秒12M。当然，单片机的工作频率是有范围的不能太大一般。24M就不上去了，不然不稳定。
晶振与单片机的脚XTALО和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波）这个波对电路的影响不大。但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。为了电路的稳定性起见ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响。所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的，没有什么计算公式。

4、时钟电路设计要点
FPGA顶层时钟一般是板载时钟，由外部晶振提供，一般10M到100M ,还有的时钟由时钟芯片提供，单端或差分时钟。
FPGA的顶层设计中模块的时钟大小怎么确定﹖开发版上会有自己的时钟，还可以例化一个 pll。
FPGA的顶层设计中模块的时钟大小怎么确定?
时钟大小一般都说是时钟颡率或者时钟周期。考虑不同情况∶

1、接口类
有些标准接口，协议就定好了时钟频率﹐比如Ethernet 、 USB 、UART等，有些接口，时钟频率没有限定，就由需求来确定时钟频率，比如SPI、I2℃等。
2、系统内部
比如CPU、总线、memory等，关乎到系统的性能﹐希望性能高、时钟频窣就要高。做到尽里低、尽里少。
尽里低是指工作的时钟频率可以尽里设定的比较低，比满足需要的时钟频率略高或者相等。这样可以提高系统的稳定性并且降低功耗。时序也会更加宽松。
尽里少是指时钟域的数里尽里少。不同模块尽里使用相同的时钟频率﹐这样可以有效的减少跨时钟域的情况发生·Xilinx.的FPGA的时钟信号会使用特定的时钟资源,使用过多的时钟频率会导致布线困难。
3、时钟设计(以Xilinx为例）
一般是由FPGA板上提供源时钟,使用FPGA内部MMCM (Mixed-Mode ClockManager-混合模式时钟管理器，实现了最低的抖动和抖动滤波﹐为高性能的FPGA设计提供更高性能的时钟管理功能)。等倍频得到系统所要的时钟，比较简单的设计中，源时钟直接驱动逻辑电路也可以。
为方便约束﹑时钟逻辑最好都写在同一个 module 中﹐包括MMCM﹑BUFG 、BUFGMUX 、 clock Gating 、除频等。
时钟约束不用设计，需要设计的是系统的时钟结构，时钟约束是使用综合工具所支持的语法将时钟结构描述出来，以便工具进行综合。

FPGA设计要点:时钟树
对于FPGA来说，要尽可能避免异步设计，尽可能采用同步设计。同步设计的第一个关键，也是关键中的关键,就是时钟树。
具体设计细则如下:
1）尽可能采用单一时钟﹔
2〉如果有多个时钟域，一定要仔细划分，千万小心
3〉跨时钟域的信号一定要做同步处理。对于控制信号，可以采用双采样﹔对于数据信号，可以采用异步fifo·需要注意的是，异步fifo不是万能的，一个异步fifo也只能解决―定范围内的频差问题。
4〉尽可能将FPGA内部的PLL、DLL( Delay Lock Loop，主要是用于产生―个精准的时间延迟利用起来，这会给你的设计带来大里的好处。
5)对于特殊的Io 接口﹐需要仔细计算Tsu·Teg Th,并利用PLL、DLL、DDIO、管脚可设置的delay 等多种工具来实现。简单对管脚进行工Tsu·T9.Th 的约束往往是不行的。
可能说的不是很确切。这里的时钟树实际上泛指时钟方案﹐主要是时钟域和 PLL等的规划，一般情况下不牵扯到走线时延的详细计算（一般都走全局时钟网络和局部时钟网络，时延固定〉﹐和ASIC中的时钟树不一样。对于ASIC,就必须对时钟网络的设计、布线﹑时延计算进行仔细的分析计算才行。

晶振电路选型注意点
1、频率大小:频率越高，价格越高。频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。
2、频率稳定度:ppm
3、电源电压:常用的有1.8T 、2.5V、 3.3、5V等。

STM32单片机的时钟系统：

芯片的主晶振频率范围一般来说在数据手册（Datasheet）和技术参考手册（Technical Reference Manual）中都有介绍，对应引脚OSC_IN和OSC_OUT.

HSI：高速内部时钟，RC振荡器，频率8MHz，精度不高。
HSE：高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz，一般我取8M。
LSI：低速内部时钟，RC振荡器，频率40kHz，低功耗时钟，至WDG独立看门狗。
LSE：低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体或陶瓷谐振器，RTC实时时钟。
PLL：锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，其输出频率最大为72MHz。

在这个图的正中央，有一个核心时钟：SYSCLK，它最大频率是72MHz，它的时钟信号通过选择器SW可以由PLLCLK提供（也可由HIS、HSE提供）。

PLL，毫无疑问，它是用来倍频的，可以*2，*3，*4……*16，它的时钟信号通过选择器PLLSRC可以由8MHz的高速内部RC振荡器经过二分频提供，也可由PLLXTPRE的选择器输出提供，

而PLLXTPRE的选择器就接的是我们的8MHz的高速外部时钟（直接接入或二分频接入）。

总的来说，对于我们这个板子，若使用高速外部时钟给STM32内核提供时钟源，一般以下两条路：

① [高速外部时钟：8MHz]>>>[不分频：8MHz]>>>>[PLL倍频，2到16倍]>>>[SYSCLK，16MHz-128MHz]

②[高速外部时钟：8MHz]>>>[二分频：4MHz]>>>>[PLL倍频，2到16倍]>>>[SYSCLK，8MHz-64MHz]

我们注意到，在8MHz外部时钟给PLL之前若分频的话，那么最大（×16）才64MHz，因此，我们都会给PLL以8MHz的时钟源让其倍频，这样能使它发挥到72MHz的高频率

正因如此，系统时钟总是8的倍数。

我们看这个芯片的数据手册，立刻就能明白，不是必须得接8MHz的晶振的

① 高速外部时钟源频率范围(P55-P58)：1MHz~25MHz（有源）；4MHz~16MHz（无源）

② PLL输入时钟源频率范围(P62)：1MHz-25MHz

③ PLL输出时钟源频率范围(P62)：16MHz~72MHz

我们自己设计板子的时候只要满足它的范围就可以了。

例如：我们可以选择一个12MHz的无源晶体接到STM32芯片上。

在给STM32进行时钟配置的时候，

① 选择PLLXTMRE的输入源为12MHz/2 = 6MHz

② 选择PLLSRC的输入源为PLLXTMRE的输出6MHz，

③ 在PLL内进行3到12倍的倍频（最小16MHz，最大72MHz），

最终我们可选择的频率就有：18MHz、24MHz、30MHz、36MHz、42MHz、48MHz、54MHz、60MHz、66MHz、72MHz

参考https://blog.csdn.net/weixin_42341666/article/details/108526787

51单片机：

时钟周期，或者也叫做节拍，另外一个叫做状态周期S，还有一个机器周期和指令周期，这是单片机当中的几个时钟的一个概念，其中时钟周期也叫振荡周期，它是晶振频率的倒数，比如说12MHz的晶振，这个时钟周期就是12MHz分之一秒，这个就叫做一个节拍，两个节拍构成一个状态周期就是1/12乘以二，就是1/6，就是六MHz分之一秒，这个是状态周期。机器周期是由12个时钟周期构成的，机器周期就是12MHz乘以12，12MHz分之一乘以12就是一个微秒，指令周期是由机器周期来构成的，

普通的51单片机我们叫做12T的单片机，指占12个时钟周期，也就是占12个时钟周期的单片机，我们叫做12T的单片机。也就是说它只有在12个时钟周期里面才能完成一个最基本的微操作，比如说执行一个最简单的指令，比如说note指令，但是现在有很多单片机都是1T的单片机，当然还有2T的单片机，这种单片机它比我们这种12T单片机速度肯定更快，因为它在一个时钟周期里面就能够完成一个基本操作，而我们这个需要12个时钟周期才能完成，就相当于同样干一件事情啊，有的人可能需要十分钟干完了，但是有的人需要120分钟才能干完，就是这个道理，就是说它的效率不一样，执行的速度不一样，这个就是我们这几个概念要搞清楚的。

时钟振荡器产生的，比如说你是一个12兆的晶振，产生一个啊波形，那这个波形就是一秒钟可以震荡12兆次，12兆次这个是频率，它的周期呢，就是12兆分之一，我们叫做时钟周期，或者叫作振荡周期，这个就就很容易理解了。
链接：https://www.zhihu.com/question/30930577/answer/2365562178