嵌入式里的时间魔法：RTC 与 BKP 深度拆解

RTC实时时钟与BKP

Unix时间戳

可以使用time.h，头文件中的函数将 时间戳转化为各种类型的时间。

UTC/GMT

UTC（协调世界时）

1. 定义与计时基准
   • 以 原子钟（铯 - 133 原子振荡周期） 为计时基础，1 秒定义为 “铯 - 133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9192631770 个周期的持续时间”，精度极高（上千万年误差约 1 秒）。
   • 引入 闰秒机制：当原子钟计时与地球自转（因地球自转变慢导致的计时偏差）相差超过 0.9 秒 时，通过在 UTC 时间中插入或删除 1 秒（如出现 23:59:60 或跳过 23:59:59），消除与地球自转的误差，确保时间与昼夜同步（如 2023 年未添加闰秒，最近一次闰秒为 2016 年 12 月 31 日）。
2. 与 GMT 的关系
   • GMT（格林尼治标准时间） 是基于地球自转的天文时间 时间长之后会出现误差（以格林尼治天文台为基准），而 UTC 是更严谨的原子时标准。
   • 生活场景中可视为等同：两者在实际应用中（如手机、电脑的时区设置）差异可忽略，例如 东八区时间 既表示为 UTC+8 也表示为 GMT+8，均指比 UTC/GMT 早 8 小时的时间（如北京时间）。

时间戳转换

时间戳转换

BKP简介

• 含义与用途 ：BKP 即 backup registers，是备份寄存器，可存储用户自定义数据。
• 电源特性 ：当 VDD 主电源切断，由 VBAT 备用电池供电，系统唤醒、复位时数据不复位。VDD 供电电压 2.0 - 3.6 伏，VBAT 供电电压 1.8 - 3.6 伏。
• 引脚定义 ：VDD 相关引脚为系统主电源，正常使用时接 3.3 伏电源；VBAT 为备用电池供电引脚，使用 BKP 和 RTC 需接备用电池，电池负极与主电源负极共地。若没有外部电池，建议 VBT 引脚接到 VDD 并连接 100 纳法滤波电容。
• 额外功能 ：Temper 引脚侵入事件可清除备份寄存器内容，用于设备防拆（将该引脚与设备外壳相连当外壳被破坏时，会给引脚一个信号，该引脚将寄存器中数据清空）；可输出 RTC 校准时钟、闹钟脉冲或秒脉冲，外部设备可测量校准时钟校准 RTC 误差；存储 RTC 时钟校准计数器，配合校准时钟输出功能校准 RTC。
• 存储容量 ：中容量和小容量设备里为 20 个字节，大容量和互联型设备里为 84 个字节。

BKP基本结构

1. 电池供电模块（VBAT 输入）

• 电源特性：BKP 位于后备区域，VDD（2.0-3.6V）主电源掉电后，自动切换为 VBAT（1.8-3.6V）备用电池供电，确保数据不丢失（系统复位、唤醒时数据保持）。
• 电路设计：无外部电池时，VBAT 可接 VDD 并串联 100nF 滤波电容（图中未体现具体电路，但逻辑上支持 VBAT 与 VDD 的电源切换）。

2. 侵入检测模块（TAMPER 输入）

• 防拆功能：TAMPER 引脚检测到侵入事件（电平跳变）时，自动清除 BKP 数据寄存器内容（图中 “侵入检测” 模块直接对应此功能，用于设备安全防护，如防拆锁设计）。

3. 时钟输出模块（RTC 输出）

• 功能复用：BKP 可输出 RTC 的校准时钟、闹钟脉冲或秒脉冲（图中 “时钟输出” 模块与会议中 “BKP 额外功能” 的时钟输出特性一致，支持外部设备校准 RTC 误差）。

4. 内部寄存器组

• 数据寄存器（DRx）
  • 容量差异
    • 中 / 小容量芯片（如 STM32F103C8T6）：10 个 16 位寄存器（DR1-DR10），共 20 字节（图中 DR1-DR10 明确标注）。
    • 大容量 / 互联型芯片：42 个 16 位寄存器（DR1-DR42），共 84 字节（图中 “大容量和互联型” 扩展部分，与会议内容匹配）。
  • 存储特性：寄存器数据在 VDD 掉电后由 VBAT 维持，属于掉电保持型存储器。
• 控制 / 状态 / 校准寄存器
  • 控制寄存器：配置侵入检测使能、时钟输出模式等（如 TAMPER 触发使能）。
  • 状态寄存器：反映侵入事件状态（如 TAMPER 触发标志）。
  • RTC 时钟校准寄存器：存储 RTC 校准计数器，配合时钟输出功能校准 RTC 计时误差（图中单独列出，对应会议中 “存储 RTC 时钟校准计数器” 的描述）。

RTC简介

后面将RTC框图时，会对下面的简介进行一一验证。

RTC时钟源

• 可以看到RTC时钟选择器 来 进行RTC时钟选择，有三种时钟源。
  • HSE 外部高速时钟 为8Mhz，要产生1hz的频率，要先进行128分频之后才能进行，时钟传输。因为时钟频率太大了。
  • LSE外部低速时钟， 可以说就是为了RTC，设计的时钟，始终频率为32.768KHz，是2的次方倍，后面进行时钟分频好操作。（一般会选择使用）
  • LSI 40Khz，也可是为RTC提供时钟源，但是主要为看门狗外设提供时钟源。

RTC框图

1. 硬件架构与区域划分

• 后备区域（灰色模块）
  • 包含预分频器（RTC_PRL/RTC_DIV）和计数计时单元（RTC_CNT/RTC_ALR），待机时由 VBAT 供电（持续计时），与 APB1 接口（待机断电）分离，确保主电源掉电后 RTC 独立运行（匹配会议中 “VDD 断电后 VBAT 供电继续走时” 的特性）。
• APB1 接口：用于软件配置（如预分频值、闹钟时间），待机时断电（降低功耗）。

2. 预分频器与时钟处理

• RTCCLK 分频：通过RTC_PRL（重装值）和RTC_DIV（余数计数）将输入时钟（如 32.768kHz LSE）分频为1Hz（TR_CLK），驱动 32 位计数器（RTC_CNT）递增（“20 位可编程预分频器适配输入时钟”，实现秒级计时）。

3. 计数计时与中断逻辑

• 32 位计数器（RTC_CNT）：存储 Unix 秒数，溢出周期约 2106 年（触发RTC_Overflow中断， “溢出中断” 的硬件源）。
• 闹钟比较（RTC_ALR）：与 RTC_CNT 匹配时触发RTC_Alarm中断，可以唤醒待机设备（通过WKP_STDBY逻辑， “闹钟唤醒设备退出待机模式”）。
• 中断使能（RTC_CR）
  • SECIE（秒中断）、OWIE（溢出中断）、ALRIE（闹钟中断）分别控制三类中断，经 NVIC 处理（ “中断输出使能和 NVIC 部分” 的硬件实现）。

4. 低功耗与待机特性

• 后备区域供电：预分频器和计数计时单元在待机时持续供电（VBAT），确保计时不中断；APB1 接口、RTC_CR、NVIC 待机时断电。

RTC基本结构

​ 预分频器中余数寄存器是一个自减设置的，就是来一个时钟就会计数值减一，当当减到0,会产生一个时钟信号向后传递，PRl重装值，设置周期，记满多少次向后产生一个时钟，当余数寄存器减到0，会将重装寄存器中的数据重装到自己的寄存器中，继续计数。

硬件电路

1. 备用电池供电电路

• 简单连接：VBAT 直接接 3V 纽扣电池（如 CR2032），负极与主电源共地。
• 推荐连接：通过二极管（D1/D2）隔离主电源（VDD）与备用电池（VBAT），并联 0.1μF 电容（C3）防电流倒灌，确保 VDD 掉电后 VBAT 独立供电（图中推荐电路，“防止电源倒灌，提升可靠性”）。

2. 外部低速晶振（LSE）电路

• 32.768kHz 晶振：连接 OSC32_IN（PC14）和 OSC32_OUT（PC15），两端并联 10pF 电容（C1/C2）到地（“LSE 为 RTC 首选时钟源，精度高，主电源掉电后 VBAT 供电持续工作”）。
• 作用：提供 1Hz 秒脉冲（经 15 位自然分频，32768=2^15），驱动 RTC 32 位计数器，实现高精度计时（“20 位可编程预分频器适配输入时钟”，LSE 无需复杂分频计算）。

3. 引脚功能与复用

• VBAT 引脚（PC13）
  • 复用为 TAMPER（侵入检测，触发时清除 BKP 数据）、RTC 时钟输出（秒脉冲 / 闹钟信号）或 GPIO（“BKP 额外功能” 的硬件载体，如防拆检测、时钟校准输出）。
• OSC32 引脚（PC14/PC15）：专属 RTC 时钟输入，连接 LSE 晶振（ LSE 是 RTC 的核心时钟源）。

4. 硬件设计规范

• 电源滤波：VBAT（0.1μF）、LSE 晶振（10pF）均需滤波电容，抑制电源噪声。
• 二极管隔离：推荐电路中的 D1/D2（如 1N4148）确保主备电源互不影响，VBAT 在 VDD 掉电后自动接管供电。

RTC操作注意事项

后面进行代码编写时会着重强调。

1. 使能 BKP 和 RTC 访问（时钟与权限）

• 硬件保护机制：
  BKP 和 RTC 位于后备区域，默认受保护（防止误操作）。使能 PWR/BKP 时钟（PWREN/BKPEN）确保模块供电，DBP（Disable Backup Protection）位解锁访问权限，避免非授权代码篡改掉电保持数据（如 BKP 存储的校准参数、RTC 计时状态），保障数据完整性（尤其在主电源掉电后 VBAT 供电的敏感场景）。

2. 读取 RTC 前等待 RSF（Registers Synchronized Flag） 同步标志

• 时钟域异步性：
  RTC（RTCCLK，如 32.768kHz）与 APB1 总线（PCLK1，高频）异步。RSF=1 表示 RTC 寄存器（如 CNT 秒计数）已与 APB1 接口同步，确保读取时数据最新（避免因时钟不同步导致时间戳错误，如读取到未更新的秒数），保证计时精度。

3. 写入 RTC 前进入配置模式（CNF 位 Configuration Flag）

• 运行时保护：
  RTC 正常运行时（CNF=0），计数 / 分频 / 闹钟寄存器为只读（防止运行中误写，如秒计数器递增时写入导致计时混乱）。进入配置模式（CNF=1）后，RTC 暂停计时逻辑（“冻结” 时钟），确保写入操作（如设置初始时间、闹钟）的原子性，避免中间状态错误（如预分频值半写入导致频率偏差）。

4. 写操作等待 RTOFF(RTC Register Transfer Ongoing Flag) 位（前次写结束）

• 寄存器更新时序：
  RTC 寄存器属于 RTCCLK 域，写入后需时间同步到硬件（如预分频器重装）。RTOFF=1 表示前次写操作完成（值已生效），避免流水线写操作的竞态条件（如连续写 CNT 和 ALR 时，确保 CNT 先更新，ALR 基于新值比较），保证配置与计时逻辑的一致性，提升系统可靠性（尤其在低功耗场景下，待机唤醒后 RTC 状态恢复的稳定性）。

BKP 库函数介绍

实时时钟

RCC有关库函数

RTC有关库函数

实时时钟代码编写步骤

配置时钟源 -》选择时钟源信号 -》配置预分频器参数 -》配置计数器等

• 开启 LSE 时钟 ：调用 RCC 里的 LSE config 函数，参数用 RCC LSE on 启动外部 LSE 晶振，通过 while 循环调用 RCC get flag status 函数等待 LSE ready 标志位（等待时钟开启完成）。
• 选择时钟源 ：调用 RCC RTC c LK config 函数，选择 RCC RTCCLK source LSE，再调用 RCC RTC CRK command 函数使能时钟。
• 等待操作 ：调用等待同步和等待上一次写入操作完成的函数，防止时钟不同步造成 bug。
• 配置预分频器 ：调用 RTC set prescaler 函数，分频系数为 32768 - 1，写入后调用 RTC 等待函数确保操作完成，库函数自带进入和退出配置模式代码。
• 设置初始时间 ：调用 RTC set counter 函数，使用 PPT 里 2023 年 1 月 1 日的秒数设定初始时间，写入后调用等待函数。

RTC相关代码

// MyRTC.c 

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <time.h>
//创建一个数组，将要写入的时间存储到数组中,这里设置的为0时区时间
uint16_t Time[] = {2013, 1, 1, 15, 59, 55};
void MyRTC_SetTime(void);

//会出现复位 重新初始化的问题 只要BKP没有掉电就不用初始化
void RTC_Init(void)
{
	//使能部分代码，开启时钟 PWR 和 BKP
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE);
	//pwr 使能对bkp 和 rtc的数据访问
	PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);
	
	if(BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) != 0xAAaa)
	{
		//使用lse 时钟源 配置
		RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON);
		//开启时钟要等待开启完成 转化完成会置标志位
		while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) != SET);
		//选择时钟源
		RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);
		//开启RTC时钟开关
		RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);
		
		//下面对RTC进行操作
		//等待时钟同步
		RTC_WaitForSynchro();
		//每一次进行写操作时，要进行判断上一个字节是否写入完成
		RTC_WaitForLastTask();
		
		//设置分频器数据
		//分频后的频率 = 时钟源频率 / (预分频系数)
		RTC_SetPrescaler(32768 - 1);
		//等待数据写入完成
		RTC_WaitForLastTask();
		
		//设置计数值 这里是初始化所以就是初始值
		MyRTC_SetTime();
		//等待数据写入完成
		RTC_WaitForLastTask();
		
		BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1, 0xAAaa);
	}
	else
	{
		//使用lse 时钟源 配置
		RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON);
		//开启时钟要等待开启完成 转化完成会置标志位
		while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) != SET);
		//选择时钟源
		RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);
		//开启RTC时钟开关
		RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);
		
		//下面对RTC进行操作
		//等待时钟同步
		RTC_WaitForSynchro();
		//每一次进行写操作时，要进行判断上一个字节是否写入完成
		RTC_WaitForLastTask();
	}
	
}

//实现写时间的函数
void MyRTC_SetTime(void)
{
	time_t time_cnt;
	struct tm time_data;
	
	//将要设置的时间写入结构体中
	time_data.tm_year = Time[0] - 1900;
	time_data.tm_mon = Time[1] - 1;
	time_data.tm_mday = Time[2];
	time_data.tm_hour = Time[3];
	time_data.tm_min = Time[4];
	time_data.tm_sec = Time[5];
	
	//将结构体中数据转化为时间戳
	time_cnt = mktime(&time_data);
	
	//将获取的秒计数进行 计数器设置
	//设置计数值 这里是初始化所以就是初始值
	RTC_SetCounter(time_cnt);
	//等待数据写入完成
	RTC_WaitForLastTask();
	
}

//实现读取时间函数
//读取秒计数，将秒计数转化为结构体将，结构体中数据按顺序存储到数组中
void MyRTC_GetData(void)
{
	time_t time_cnt;
	struct tm time_data;
	
	//将得到的0时区的时间转化为东8区时间
	time_cnt = RTC_GetCounter() + 8 * 60 * 60;
	
	time_data = *localtime(&time_cnt);
	
	Time[0] = time_data.tm_year + 1900;
	Time[1] = time_data.tm_mon + 1;
	Time[2] = time_data.tm_mday;
	Time[3] = time_data.tm_hour;
	Time[4] = time_data.tm_min;
	Time[5] = time_data.tm_sec;
}

主函数实现代码

//main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyRTC.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();
	RTC_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "Date:XXXX-XX-XX");
	OLED_ShowString(2, 1, "Time:XX:XX:XX");
	OLED_ShowString(3, 1, "CNT :");
	OLED_ShowString(4, 1, "DIV :");

	while(1)
   {
	   MyRTC_GetData();							//RTC读取时间，最新的时间存储到MyRTC_Time数组中
		
		OLED_ShowNum(1, 6, Time[0], 4);		//显示MyRTC_Time数组中的时间值，年
		OLED_ShowNum(1, 11, Time[1], 2);		//月
		OLED_ShowNum(1, 14, Time[2], 2);		//日
		OLED_ShowNum(2, 6, Time[3], 2);		//时
		OLED_ShowNum(2, 9, Time[4], 2);		//分
		OLED_ShowNum(2, 12, Time[5], 2);		//秒
		
		OLED_ShowNum(3, 6, RTC_GetCounter(), 10);	//显示32位的秒计数器
		OLED_ShowNum(4, 6, RTC_GetDivider(), 10);	//显示余数寄存器

   }
}