들어가며

UART 보드레이트를 설정할 때 115200을 입력한다. SPI 속도를 설정할 때 분주비(prescaler)를 고른다. 이 숫자들의 근거가 뭘까.

전부 클럭(Clock) 에서 나온다. MCU 안의 모든 주변장치는 클럭 신호를 기반으로 동작하고, 그 클럭이 얼마인지에 따라 통신 속도가 결정된다.

클럭 소스 (Clock Source)

MCU는 기준 클럭을 어딘가에서 공급받아야 한다. STM32F4의 주요 클럭 소스는 두 가지다.

HSI (High Speed Internal)

  • MCU 내부 RC 오실레이터
  • 16 MHz 고정
  • 외부 부품 불필요
  • 정밀도 낮음 — 온도와 전압에 따라 ±1% 수준의 오차
  • 리셋 직후 기본으로 사용되는 클럭 소스

오차가 있는데도 HSI를 쓰는 이유가 있다.

크리스탈은 MCU 외부에 붙는 부품이다. 크리스탈 본체뿐 아니라 로드 커패시터(보통 2개)와 배선이 추가된다. 부품 수가 늘면 PCB 공간, 원가, 조립 공정이 모두 늘어난다. 수백만 개를 양산하는 제품이라면 크리스탈 하나가 무시할 수 없는 비용이 된다.

거기에 크리스탈은 진동과 충격에 약하고, 전원 인가 후 안정적인 주파수에 도달하기까지 기동 시간(startup time) 이 필요하다. 산업용·차량용 기기처럼 진동이 심하거나 빠른 기동이 필요한 환경에서는 HSI가 더 유리할 수 있다.

결국 선택 기준은 이렇다:

  • HSI: LED, 버튼, 단순 GPIO 제어처럼 타이밍 정밀도가 불필요한 경우. 원가·설계 단순화가 중요한 경우.
  • HSE: UART, SPI, I2C, USB처럼 상대방 장치와 정확한 속도를 맞춰야 하는 경우. 보드레이트 오차가 통신 오류로 직결된다.

HSE (High Speed External)

  • 외부 크리스탈 또는 오실레이터를 보드에 연결
  • 4 ~ 26 MHz 범위
  • 정밀도 높음 — 크리스탈 기준 ±20ppm 수준
  • STM32F4-NUCLEO 보드는 8 MHz 크리스탈 장착

리셋 직후에는 HSI로 동작하다가, SystemInit()이 HSE와 PLL을 설정해 원하는 속도로 올린다. 4편에서 Reset_Handler가 main() 전에 SystemInit()을 호출한다고 설명했다.

Cortex-M 시리즈별 클럭 비교

같은 ARM 코어라도 시리즈마다 최대 클럭과 기능이 다르다.

코어대표 MCU최대 클럭FPUDSP 명령어주요 용도
Cortex-M3STM32F1 (F103)72 MHz없음없음범용 제어, 저전력
Cortex-M4STM32F4 (F411)100 MHz단정밀도SIMD / MAC모터 제어, 오디오, DSP
Cortex-M7STM32F7 / H7216 ~ 480 MHz단/배정밀도강화 DSP고성능 처리, 그래픽

F407은 최대 168 MHz, H743은 480 MHz — 같은 Cortex-M4/M7 코어라도 MCU 설계에 따라 최대 클럭이 다르다. 이 시리즈는 STM32F411RE (Nucleo-64, 최대 100 MHz) 기준으로 진행한다.

PLL (Phase-Locked Loop)

8 MHz 크리스탈로 100 MHz를 만들려면 12.5배를 올려야 한다. 이를 담당하는 것이 PLL이다.

PLL은 입력 클럭을 분주(divide)하고 체배(multiply)해서 원하는 주파수를 만든다. STM32F4의 메인 PLL은 M, N, P 세 파라미터로 제어한다.

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VCO 입력  = HSE / M
VCO 클럭  = VCO 입력 × N
SYSCLK    = VCO 클럭 / P

STM32F411 100 MHz 설정 예:

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VCO 입력 = 8 MHz / 4    = 2 MHz
VCO 클럭 = 2 MHz × 200  = 400 MHz
SYSCLK   = 400 MHz / 4  = 100 MHz

→ M=4, N=200, P=4

VCO(Voltage Controlled Oscillator)가 내부에서 실제로 주파수를 만들고, P로 나눠 최종 SYSCLK를 출력한다. VCO 클럭은 192 ~ 432 MHz 범위여야 한다는 제약이 있다.

CubeMX를 쓰면 이 계산을 자동으로 해주지만, 값이 어떻게 나왔는지 이해하고 있어야 디버깅할 때 막히지 않는다.

RCC_PLLCFGR 레지스터 RM0383 6.3.2 — RCC_PLLCFGR: M/N/P/Q 파라미터가 실제로 설정되는 레지스터

클럭 트리 (Clock Tree)

SYSCLK 하나로 모든 주변장치가 동작하지는 않는다. 버스와 주변장치마다 허용 최대 클럭이 다르기 때문에 분주해서 여러 클럭을 만든다.

STM32F411 클럭 트리 다이어그램 STM32F411RE (Nucleo-64) 클럭 트리 — HSE 8 MHz → PLL → SYSCLK 100 MHz → HCLK → APB1/APB2 분배

같은 UART라도 번호에 따라 연결된 APB가 다르다. UART2는 APB1(50 MHz)을, UART1은 APB2(100 MHz)를 기준으로 보드레이트를 계산한다. 같은 115200 설정이어도 내부 레지스터 값이 다르다.

STM32F411 클럭 트리 RM0383 Figure 12 — STM32F411 전체 클럭 트리 (HSI/HSE → PLL → SYSCLK → AHB/APB 분배)

AHB/APB 분주비 레지스터 RM0383 6.3.3 — RCC_CFGR: AHB/APB1/APB2 분주비가 설정되는 레지스터

RCC (Reset and Clock Control)

클럭 트리를 설정하는 STM32 모듈이다. 이름대로 리셋 제어와 클럭 제어를 담당한다.

클럭 활성화

각 주변장치는 RCC에서 클럭을 켜줘야 동작한다. 이걸 빠뜨리면 레지스터에 값을 써도 아무 반응이 없다.

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// GPIO 클럭 활성화
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

// UART2 클럭 활성화
__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();

// SPI1 클럭 활성화
__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();

HAL 라이브러리의 HAL_UART_Init() 같은 함수는 내부에서 자동으로 클럭을 켜주는 경우가 있다. 하지만 MX_USART2_UART_Init()처럼 CubeMX가 생성하는 코드는 따로 __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE()을 호출한다. 레지스터를 직접 다룰 때는 반드시 수동으로 켜야 한다.

PLL 설정 코드

system_stm32f4xx.c의 SystemInit() 혹은 CubeMX가 생성하는 SystemClock_Config()에서 실제 설정이 이루어진다.

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RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

// HSE + PLL 설정
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       = 4;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN       = 200;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP       = RCC_PLLP_DIV4;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ       = 8;
HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

// AHB/APB 분주비 설정
RCC_ClkInitStruct.ClockType      = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource   = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider  = RCC_SYSCLK_DIV1;   // HCLK  = 100MHz
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;     // PCLK1 = 50MHz
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;     // PCLK2 = 100MHz
HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_3);

CubeMX 클럭 설정 화면 STM32CubeMX Clock Configuration — HSE, PLL, AHB/APB 분주비를 시각적으로 설정할 수 있다

클럭 설정 실수

HSE_VALUE 불일치

stm32f4xx_hal_conf.h에 HSE 주파수를 정의하는 매크로가 있다.

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#define HSE_VALUE  8000000U  // 보드 크리스탈 주파수와 일치해야 함

보드에 12 MHz 크리스탈이 달려있는데 이 값이 8000000이면, PLL M/N/P 계산 기준이 틀려서 SYSCLK가 엉뚱한 값이 된다. HAL_Delay(1000)이 1초가 아니거나, UART 보드레이트가 맞지 않는 증상으로 나타난다.

주변장치 클럭 미활성화

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// 이 줄 없으면 GPIOA 핀이 동작 안 함
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIOA->MODER |= (1 << 10);

HAL 초기화 함수를 쓰지 않고 레지스터를 직접 건드릴 때 가장 자주 만나는 실수다. 클럭이 꺼진 주변장치는 레지스터 접근 자체가 무시되거나 버스 오류를 일으킨다.