发挥全部实力！Air32 在 HAL 库环境下运行最高主频
大约 6 分钟
最近打算把 Air32 也吃上 Arduino，发挥全部性能，就不用像是 Air001 那样束手束脚了，但是问题是 Arduino 的库是基于 HAL 的，那要用上 Arduino 就必定得先适配 HAL 库，那我们就来先尝试在 HAL 下让 Air32 跑到最高主频吧。
初始化工程
首先我们需要先初始化一个工程，就单纯点灯和和串口打印，这里我偷懒用了STM32CubeMX，我们勾上串口和外部时钟，为了方便我们顺便把 SWD 也选上。大概就是这样
然后生成代码即可。
修改时钟
因为我们要跑高主频，原先的 PLL 倍频数不满足，用到了新的一些配置，因此我们需要修改芯片头文件以及hal_rcc_ex.h中的一些宏定义，首先是芯片的头文件，我们这里以air32f103xb.h为例，我们需要修改的地方如下
#define RCC_CFGR_PLLMULL16_Pos (19U)
#define RCC_CFGR_PLLMULL16_Msk (0x7UL << RCC_CFGR_PLLMULL16_Pos) /*!< 0x00380000 */
#define RCC_CFGR_PLLMULL16 RCC_CFGR_PLLMULL16_Msk /*!< PLL input clock*16 */
#define RCC_CFGR_PLLMULL17 ((uint32_t)0x10000000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL18 ((uint32_t)0x10040000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL19 ((uint32_t)0x10080000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL20 ((uint32_t)0x100C0000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL21 ((uint32_t)0x10100000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL22 ((uint32_t)0x10140000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL23 ((uint32_t)0x10180000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL24 ((uint32_t)0x101C0000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL25 ((uint32_t)0x10200000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL26 ((uint32_t)0x10240000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL27 ((uint32_t)0x10280000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL28 ((uint32_t)0x102C0000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL29 ((uint32_t)0x10300000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL30 ((uint32_t)0x10340000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL31 ((uint32_t)0x10380000)
#define RCC_CFGR_PLLMULL32 ((uint32_t)0x103C0000)
然后是air32f1xx_hal_rcc_ex.h，我们需要修改的地方如下
#define RCC_PLL_MUL17 RCC_CFGR_PLLMULL17
#define RCC_PLL_MUL18 RCC_CFGR_PLLMULL18
#define RCC_PLL_MUL19 RCC_CFGR_PLLMULL19
#define RCC_PLL_MUL20 RCC_CFGR_PLLMULL20
#define RCC_PLL_MUL21 RCC_CFGR_PLLMULL21
#define RCC_PLL_MUL22 RCC_CFGR_PLLMULL22
#define RCC_PLL_MUL23 RCC_CFGR_PLLMULL23
#define RCC_PLL_MUL24 RCC_CFGR_PLLMULL24
#define RCC_PLL_MUL25 RCC_CFGR_PLLMULL25
#define RCC_PLL_MUL26 RCC_CFGR_PLLMULL26
#define RCC_PLL_MUL27 RCC_CFGR_PLLMULL27
#define RCC_PLL_MUL28 RCC_CFGR_PLLMULL28
#define RCC_PLL_MUL29 RCC_CFGR_PLLMULL29
#define RCC_PLL_MUL30 RCC_CFGR_PLLMULL30
#define RCC_PLL_MUL31 RCC_CFGR_PLLMULL31
#define RCC_PLL_MUL32 RCC_CFGR_PLLMULL32
然后修改main.c中的SystemClock_Config函数，把 PLL 的倍频修改为RCC_PLL_MUL32，这样就可以跑到 256M 了。
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** 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.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL32;
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_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
但是事情远没有那么简单，Air32 作为典型的国产 MCU，那必然是存在很多暗坑，我们查看提供的标准库的 RCC 例程，发现需要进行一个“解锁”操作。那我们依葫芦画瓢，在air32f1xx_hal_rcc.c中的HAL_RCC_OscConfig函数中 728 行左右添加这么几段：
/* Set PREDIV1 Value */
RCC->CFGR = (RCC->CFGR & ~0x00030000);
__HAL_RCC_HSE_PREDIV_CONFIG(RCC_OscInitStruct->HSEPredivValue);
}
/* Configure the main PLL clock source and multiplication factors. */
/* __HAL_RCC_PLL_CONFIG(RCC_OscInitStruct->PLL.PLLSource,
RCC_OscInitStruct->PLL.PLLMUL); */
*(volatile uint32_t *)(0x400210F0) = 1;//开启 sys_cfg 门控
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = 0xa7d93a86;//解一、二、三级锁
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = 0xab12dfcd;
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = 0xcded3526;
*(volatile uint32_t *)(0x4002228C) = 0xa5a5a5a5;//QSPI 解锁
// 默认 Flash 读取等待时间为 2 个 CPU 周期
AIR32F1_SysFreq_Set(RCC_OscInitStruct->PLL.PLLMUL,FLASH_Div_2 ,0,1);
RCC->CFGR |= RCC_OscInitStruct->PLL.PLLSource;
//恢复配置前状态
*(volatile uint32_t *)(0x400210F0) = 0;//开启 sys_cfg 门控
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = ~0xa7d93a86;//加一、二、三级锁
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = ~0xab12dfcd;
*(volatile uint32_t *)(0x40016C00) = ~0xcded3526;
*(volatile uint32_t *)(0x4002228C) = ~0xa5a5a5a5;//QSPI 解锁
/* Enable the main PLL. */
__HAL_RCC_PLL_ENABLE();
需要注意的是，AIR32F1_SysFreq_Set是一个自定义的宏，其原型是
typedef void (*AIR32F1_SysFreq_Set_FuncPtr)(uint32_t, FlashClkDiv, uint8_t, uint8_t);
#define AIR32F1_SysFreq_Set (*((AIR32F1_SysFreq_Set_FuncPtr)(*(uint32_t *)0x1FFFD00C)))
其中的FlashClkDiv类型是
typedef enum
{
FLASH_Div_0 = 0,
FLASH_Div_2 = 1,
FLASH_Div_4 = 2,
FLASH_Div_6 = 3,
FLASH_Div_8 = 4,
FLASH_Div_16 = 5,
}FlashClkDiv;
这俩随便放在哪都好，我就放到了air32f1xx_hal_rcc_ex.h中了。
需要注意的是，AIR32F1_SysFreq_Set这个函数本身就很魔法…其实现是固化在了芯片中，我们将0x1FFFD00C这个地址强转为函数指针，然后再传入，以及那些奇奇怪怪的地址都是直接写的手册上没有的寄存器地址，至于具体是什么，我也希腊奶，反正就是这么用的。
修改HAL_RCC_GetSysClockFreq
现在我们可以成功拉高主频了，但是 HAL 库内部用的HAL_RCC_GetSysClockFreq函数来获取主频，如果主频不对那其它外设的分频也会出问题，最典型的就是串口输出乱码。
我们查看 Air32 的参考手册，发现与 STM32 相比，其 PLL 的倍频寄存器是 5 个 bit，比 STM32 多一个 bit，但是很难受的是多的那个 bit 是在高位且和其它的不连续。
因此我们需要单独判断这个 bit，如果为 0 的情况下和 STM32 的行为一致，如果为 1 的情况下，我们需要手动转换一下。
首先我们修改aPLLMULFactorTable数组，把缺失的几个倍频值补上。
#if defined(RCC_CFGR2_PREDIV1SRC)
const uint8_t aPLLMULFactorTable[14] = {0, 0, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, 0, 0, 0, 0, 13};
const uint8_t aPredivFactorTable[16] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16};
#else
const uint8_t aPLLMULFactorTable[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 16, 17, 18, 19,
20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32};
#if defined(RCC_CFGR2_PREDIV1)
const uint8_t aPredivFactorTable[16] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16};
#else
const uint8_t aPredivFactorTable[2] = {1, 2};
#endif /*RCC_CFGR2_PREDIV1*/
#endif
然后我们稍微修改下计算倍频的代码，在大约 1134 行的地方修改为
case RCC_SYSCLKSOURCE_STATUS_PLLCLK: /* PLL used as system clock */
{
uint32_t pllMul4 = 0; // PLL MUL 的第 5 个字节
pllMul4 = tmpreg & (1UL << 28);
if(pllMul4 == 0)
{
pllmul = aPLLMULFactorTable[(uint32_t)(tmpreg & RCC_CFGR_PLLMULL) >> RCC_CFGR_PLLMULL_Pos];
}
else
{
pllmul = aPLLMULFactorTable[((uint32_t)(tmpreg & RCC_CFGR_PLLMULL) >> RCC_CFGR_PLLMULL_Pos) + 16];
}
修改串口分频定义宏
此时理论上来说已经可以正常工作，但是我们会发现串口输出还是乱码，这是因为 HAL 库中串口的分频计算可能会溢出。我们打开air32f1xx_hal_uart.h中的第 839 行，把原来的
#define UART_DIV_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) (((_PCLK_)*25U)/(4U*(_BAUD_)))
修改为
#define UART_DIV_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) ((_PCLK_)/(4U*(_BAUD_))*25U)
至此，HAL 库需要修改的内容已经完成。
添加 Printf 输出
为了避免原生的 Printf 问题，我们自己定义一个MyPrintf函数，其定义如下：
int MyPrintf(const char* format, ...)
{
int ret;
char buffer[256];
va_list args;
va_start(args, format);
ret = vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args);
va_end(args);
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, ret, 1000);
return ret;
}
最后，我们在主函数中添加输出主频的相关代码：
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
MyPrintf("Hello World!\n");
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
MyPrintf("SystemCoreClock: %d Hz\n", HAL_RCC_GetSysClockFreq());
HAL_Delay(1000);
}
/* USER CODE END 3 */
}
编译下载，打开串口调试助手，可以观察到：
串口输出无乱码，主频正确，我们已经成功在 HAL 中跑到了最高主频。
附录
本文的工程开源在https://github.com/Air-duino/Air32F103-HAL-RCC，用到的 HAL 库源码在https://github.com/Air-duino/Arduino-Air32F103-Drivers。