STM32 —— RTC 入门
STM32 —— RTC 入门
简介
STM32 的 RTC 外设（Real Time Clock） ，实质是一个掉电后还继续运行的定时器。定时器的角度来说，相对于通用定时器 TIM 外设，它十分简单，只有很纯粹的计时和触发中断的功能；但从掉电还继续运行的角度来说，它却是 STM32 中唯一一个具有如此强大功能的外设。所以 RTC 外设的复杂之处并不在于它的定时功能，而在于它掉电还继续运行的特性。RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期
以上所说的掉电，是指主电源 VDD 断开的情况，为了 RTC外设掉电继续运行，必须接上锂电池给 STM32 的 RTC、备份发卡通过 VBAT引脚供电。当主电源 VDD有效时，由 VDD 给 RTC 外设供电； 而当 VDD掉电后，由 VBAT给 RTC 外设供电。但无论由什么电源供电，RTC 中的数据都保存在属于 RTC 的备份域中，若主电源 VDD 和 VBAT 都掉电，那么备份域中保存的所有数据将丢失。 备份域除了 RTC 模块的寄存器，还有 42 个 16 位的寄存器可以在 VDD 掉电的情况下保存用户程序的数据，系统复位或电源复位时，这些数据也不会被复位
RTC 模块和时钟配置系统( RCC_BDCR 寄存器)处于后备区域，即在系统复位或从待机模式唤醒后， RTC 的设置和时间维持不变
系统复位后，对后备寄存器和 RTC 的访问被禁止，这是为了防止对后备区域(BKP)的意外写操作。执行以下操作将使能对后备寄存器和RTC的访问：
· 设置寄存器RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN位，使能电源和后备接口时钟
· 设置寄存器PWR_CR的DBP位，使能对后备寄存器和RTC的访问。
主要特性
可编程的预分频系数：分频系数最高为 \(2^{20}\) 。
32 位的可编程计数器，可用于较长时间段的测量，只能向上计数 。
2 个分离的时钟：用于 APB1 接口的 PCLK1 和 RTC 时钟( RTC 时钟的频率必须小于 PCLK1 时钟频率的四分之一以上)。
可以选择以下三种RTC的时钟源：
· 高速外部时钟的 128 分频 HSE / 128
· 低速内部时钟 LSE 振荡器时钟
· 低速外部时钟 LSI 振荡器时钟
使 HSE 分频时钟或 LSI 的话，在主电源 VDD掉电的情况下，这两个时钟来源都会受到影响，因此没法保证 RTC 正常工作。因此 RTC 一般使用低速外部时钟 LSE，在设计中， 频率通常为实时时钟模块中常用的 32.768KHz，这是因为 32768 = 215，分频容易实现，所以它被广泛应用到 RTC 模块，在主电源 VDD有效的情况下(待机)， RTC 还可以配置闹钟事件使 STM32 退出待机模式
2 个独立的复位类型：
· APB1 接口由系统复位；
· RTC 核心(预分频器、闹钟、计数器和分频器)只能由后备域复位。
3 个专门的可屏蔽中断：
· 闹钟中断，用来产生一个软件可编程的闹钟中断。
· 秒中断，用来产生一个可编程的周期性中断信号(最长可达1秒)。
· 溢出中断，指示内部可编程计数器溢出并回转为0的状态。
主要功能
功能框图
RTC 由两个主要部分组成。第一部分( APB1 接口)用来和 APB1 总线相连。此单元还包含一组 16 位寄存器，可通过 APB1 总线对其进行读写操作. APB1 接口由 APB1 总线时钟驱动，用来与 APB1 总线接口。
另一部分( RTC 核心)由一组可编程计数器组成，分成两个主要模块。第一个模块是RTC的预分频模块，它可编程产生最长为1秒的 RTC 时间基准 TR_CLK 。RTC 的预分频模块包含了一个20位的可编程分频器( RTC 预分频器)。如果在 RTC_CR 寄存器中设置了相应的允许位，则在每个 TR_CLK 周期中 RTC 产生一个中断(秒中断)。第二个模块是一个 32 位的可编程计数器，可被初始化为当前的系统时间。系统时间按 TR_CLK 周期累加并与存储在 RTC_ALR 寄存器中的可编程时间相比较，如果 RTC_CR 控制寄存器中设置了相应允许位，比较匹配时将产生一个闹钟中断
框图中浅灰色的部分都是属于备份域的，在VDD掉电时可在VBAT的驱动下继续运行。这部分仅包括 RTC 的分频器，计数器，和闹钟控制器。若 VDD 电源有效， RTC 可以触发 RTC_Second(秒中断)、 RTC_Overflow(溢出事件)和 RTC_Alarm(闹钟中断)。从结构图可以分析到，其中的定时器溢出事件无法被配置为中断。若 STM32 原本处于待机状态，可由闹钟事件或 WKUP 事件(外部唤醒事件，属于 EXTI 模块，不属于 RTC)使它退出待机模式。闹钟事件是在计数器 RTC_CNT 的值等于闹钟寄存器 RTC_ALR 的值时触发的
在备份域中所有寄存器都是 16 位的， RTC 控制相关的寄存器也不例外。 它的计数器 RTC_CNT 的 32 位由 RTC_CNTL 和 RTC_CNTH 两个寄存器组成，分别保存定时计数值的低 16 位和高 16 位。在配置 RTC 模块的时钟时，通常把输入的 32768Hz 的 RTCCLK 进 32768 分频得到实际驱动计数器的时钟 TR_CLK = RTCCLK/32768= 1 Hz，计时周期为1秒，计时器在 TR_CLK 的驱动下计数，即每秒计数器 RTC_CNT 的值加 1
由于备份域的存在，使得 RTC 核具有了完全独立于 APB1 接口的特性，也因此对 RTC 寄存器的访问要遵守一定的规则
复位
除了 RTC_PRL、 RTC_ALR、 RTC_CNT 和 RTC_DIV 寄存器外，所有的系统寄存器都由系统复位或电源复位进行异步复位
RTC_PRL、 RTC_ALR、 RTC_CNT 和 RTC_DIV 寄存器仅能通过备份域复位信号复位
系统复位后，默认禁止访问后备寄存器和 RTC，防止对后备区域(BKP)的意外写操作。执行以下操作使能对后备寄存器和 RTC 的访问：
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设置 RCC_APB1ENR 寄存器的 PWREN 和 BKPEN 位来使能电源和后备接口时钟。
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设置 PWR_CR 寄存器的 DBP 位使能对后备寄存器和 RTC 的访问
读 RTC 寄存器
RTC 核完全独立于 RTC 的 APB1 接口
软件通过APB1接口访问RTC的预分频值、 计数器值和闹钟值。但是，相关的可读寄存器只在与 RTC 的 APB1时钟进行重新同步的RTC时钟的上升沿被更新。 RTC标志也是如此的
这意味着，如果 APB1 接口曾经被关闭，而读操作又是在刚刚重新开启 APB1 之后，则在第一次的内部寄存器更新之前，从 APB1 上读出的 RTC 寄存器数值可能被破坏了(通常读到 0 )。下述几种情况下能够发生这种情形：
-
发生系统复位或电源复位
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系统刚从待机模式唤醒
-
系统刚从停机模式唤醒(参见第4.3节： 低功耗模式)。
所有以上情况中， APB1 接口被禁止时(复位、无时钟或断电) RTC 核仍保持运行状态因此，若在读取 RTC 寄存器时， RTC 的 APB1 接口曾经处于禁止状态，则软件首先必须等待 RTC_CRL 寄存器中的 RSF 位(寄存器同步标志)被硬件置 1
注： RTC 的 APB1 接口不受 WFI 和 WFE 等低功耗模式的影响
设置后备寄存器为可访问后，在第一次通过 APB1 接口访问 RTC 时，因为时钟频率的差异，所以必须等待 APB1 与 RTC 外设同步，确保被读取出来的 RTC 寄存器值是正确的。若在同步之后，一直没有关闭 APB1 的 RTC 外设接口，就不需要再次同步了
配置 RTC 寄存器
必 须 设 置 RTC_CRL 寄 存 器 中 的 CNF 位 ， 使 RTC 进 入 配 置 模 式 后 ， 才 能 写 入 RTC_PRL、RTC_CNT、 RTC_ALR 寄存器。
另外，对 RTC 任何寄存器的写操作，都必须在前一次写操作结束后进行。可以通过查询 RTC_CR 寄存器中的 RTOFF 状态位，判断 RTC 寄存器是否处于更新中。仅当 RTOFF 状态位是 1 时，才可以写入 RTC 寄存器
配置过程：
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查询RTOFF位，直到RTOFF的值变为 1
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置CNF值为1，进入配置模式
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对一个或多个RTC寄存器进行写操作
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清除CNF标志位，退出配置模式
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查询RTOFF，直至RTOFF位变为’1’以确认写操作已经完成
仅当 CNF 标志位被清除时，写操作才能进行，这个过程至少需要 3 个 RTCCLK 周期。
RTC 标志的设置
在每一个 RTC 核心的时钟周期中，更改 RTC 计数器之前设置RTC秒标志( SECF )
在计数器到达 0x0000 之前的最后一个 RTC 时钟周期中，设置 RTC 溢出标志( OWF )
在计数器的值到达闹钟寄存器的值加 1 ( RTC_ALR+1 )之前的 RTC 时钟周期中，设置 RTC_Alarm 和 RTC 闹钟标志( ALRF )。对 RTC 闹钟的写操作必须使用下述过程之一与RTC秒标志同步：
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使用 RTC 闹钟中断，并在中断处理程序中修改 RTC 闹钟和/或 RTC 计数器
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等待 RTC 控制寄存器中的 SECF 位被设置，再更改 RTC 闹钟和/或 RTC 计数器
示例：
RTC 中断
这里时钟自带一个秒中断，每当计数加一的时候就会触发一次秒中断。
注意：这里所说的秒中断并非一定是一秒的时间，它是由 RTC 时钟源和分频值决定的“秒”的时间，当然也是可以做到1秒钟中断一次。我们通过往秒中断里写更新时间的函数来达到时间同步的效果
闹钟中断就是设置一个预设定的值，计数每自加多少次触发一次闹钟中断
UNIX 时间戳
在使用 RTC 外设前， 还需要知道什么是 UINX 时间戳
如果从现在起，把计数器 RTC_CNT 的计数值置 0，然后每秒加 1， RTC_CNT 什么时候会溢出呢？
由于 RTC_CNT 是 32 位寄存器，可存储的最大值为(232-1)，即这样计时的话，在 232秒后溢出，即它将在今后的 136 年时溢出：
目前，定时器被置 0 的这个时间被称为计时元年，相对计时元年经过的秒数称为时间戳，也就是计数器中的值
大多数操作系统都是利用时间戳和计时元年来计算当前时间的，而这个时间戳和计时元年大家都取了同一个标准—— UNIX 时间戳和 UNIX 计时元年
UNIX 计时元年被设置为格林威治时间 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒，可能是为了纪念 UNIX 的诞生
在这个计时系统中，使用的是有符号的 32 位整型变量来保存 UNIX 时间戳的，即实际可用计数位数比我们上面例子中的少了一位，少了这一位， UNIX 计时元年也相对提前了，这个计时方法在 2038年 1月 19日 03时 14分 07秒将会发生溢出，这个时间离我们并不远。由于 UNIX 时间戳被广泛应用到各种系统中，溢出可能会导致系统发生严重错误，届时，很可能会重演一次“千年虫”的问题， 所以在设计预期寿命较长的设备需要注意
参考文档
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《 STM32 中文参考手册 V10》
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《 零死角玩转 STM32 —— F103 指南者》
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《 STM32F103X8 中文数据手册 》
