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

函数名	功能	参数	返回值	说明
BKP_DeInit	恢复 BKP 模块寄存器至复位默认值	无	无	初始化前重置配置，确保干净的工作状态
BKP_TamperPinLevelConfig	配置侵入检测引脚的有效触发电平	uint16_t BKP_TamperPinLevel（如 BKP_TamperPinLevel_High/Low）	无	设定侵入检测（Tamper）的触发条件（高 / 低电平）
BKP_TamperPinCmd	使能 / 禁止侵入检测功能	FunctionalState NewState（ENABLE/DISABLE）	无	控制是否启用侵入检测（用于系统安全监测）
BKP_ITConfig	使能 / 禁止 BKP 模块的中断	FunctionalState NewState	无	开启 / 关闭 BKP 相关中断（如侵入检测中断），配合中断处理函数使用
BKP_RTCOutputConfig	配置 RTC_OUT 引脚的输出信号源	uint16_t BKP_RTCOutputSource（如校准时钟、闹钟脉冲、秒脉冲）	无	将 RTC 时钟信号输出到外部（如示波器、时钟模块），扩展 RTC 功能
BKP_SetRTCCalibrationValue	设置 RTC 校准值	uint8_t CalibrationValue（-128~+127，补偿晶振误差）	无	调整 RTC 时钟精度，补偿晶振频率偏移
BKP_WriteBackupRegister	写入备份寄存器（掉电保持）	uint16_t BKP_DR（寄存器编号，如BKP_DR1），uint16_t Data（16 位数据）	无	存储关键数据（如系统配置、掉电前状态），主电源掉电后由备用电池保持
BKP_ReadBackupRegister	读取备份寄存器数据	uint16_t BKP_DR	uint16_t（寄存器存储的值）	恢复掉电前保存的数据（如系统重启后读取配置）
BKP_GetFlagStatus	获取 BKP 模块的标志位状态	无	FlagStatus（SET/RESET）	轮询检查事件（如侵入检测是否触发）
BKP_ClearFlag	清除 BKP 模块的标志位	无	无	处理标志位后清除（避免重复响应，如侵入检测标志）
BKP_GetITStatus	获取 BKP 模块的中断状态	无	ITStatus（SET/RESET）	检查是否有未处理的中断（用于中断服务函数）
BKP_ClearITPendingBit	清除 BKP 模块的中断挂起位	无	无	中断处理后清除挂起位，防止重复进入中断

实时时钟

RCC有关库函数

函数名	功能描述	调用时机	注意事项
RCC_LSE_Configure	配置并启动外部低速时钟（LSE）（如 32.768kHz 晶振）。	初始化 RTC 前，需手动开启 LSE 时钟	LSE 默认关闭，需调用此函数启动；启动后需等待LSE_READY标志位为 1。
RCC_LSI_Command	配置并启动内部低速时钟（LSI）（约 40kHz，用于备份时钟）。	当 LSE 不起振时（如实验调试场景）	可作为 LSE 的替代时钟源，用于应急或测试。
RTC_CLK_Configure	选择 RTC 的时钟源（如 LSE/LSI），配置时钟源数据选择器。	启动 LSE/LSI 后，配置 RTC 时钟源时	需与RTC_CLK_Command配合使用，先配置时钟源，再使能时钟。
RTC_CLK_Command	使能 RTC 时钟（在配置完时钟源后调用）。	配置完RTC_CLK_Configure后	必须调用此函数才能激活 RTC 时钟。
RCC_GetFlagStatus	获取时钟标志位状态（如LSE_FLAG），判断时钟是否稳定启动。	调用RCC_LSE_Configure后	需循环等待LSE_READY标志位为 1，确保 LSE 时钟稳定工

RTC有关库函数

函数名	功能描述	调用时机	注意事项
模式切换函数
RTC_EnterConfigMode	进入 RTC 配置模式（置CRL寄存器的CNF位为 1）。	需修改 RTC 寄存器（如预分频器、计数器）前	必须先进入配置模式，否则无法写入寄存器！
RTC_ExitConfigMode	退出 RTC 配置模式（清CRL寄存器的CNF位为 0）。	完成 RTC 寄存器配置后	配置完成后需立即退出，避免误操作。
数据操作函数
RTC_GetCounter	读取 RTC 计数器（CNT）的值，即当前时间（单位：秒）。	需要获取实时时间时	直接返回计数器值，需自行转换为时分秒格式。
RTC_SetCounter	设置 RTC 计数器初始值（如设置初始时间）。	初始化 RTC 时配置初始时间	需先进入配置模式（调用RTC_EnterConfigMode）。
RTC_SetPrescaler	配置预分频器（PRL寄存器），设置计数器时钟频率（通常为 1Hz）。	初始化 RTC 时配置分频系数	分频值计算公式：PRL = LSE频率/1Hz - 1（如 LSE=32768Hz 时，PRL=32767）。
RTC_SetAlarm	设置 RTC 闹钟值（ALR寄存器）。	需要配置闹钟功能时	需配合中断配置（RTC_ITConfig）使用。
RTC_GetDivider	读取预分频器余数寄存器（DIV），获取亚秒级精度时间（如毫秒）。	需要更高时间精度时（如调试）	CNT计数间隔为 1 秒，DIV寄存器用于记录余数，可计算更细粒度时间。
等待与同步函数
RTC_WaitForLastTask	等待上次 RTC 写操作完成（循环检测RTF标志位）。	每次写操作（如设置计数器、预分频器）后	防止寄存器操作未完成时进行下一次写操作，避免数据错误！
RTC_WaitForSynchro	等待 RTC 时钟同步完成（循环检测RSF标志位）。	配置时钟源或初始化 RTC 时	确保 RTC 时钟与时钟源同步，避免计时误差。
中断与标志位函数
RTC_ITConfig	配置 RTC 中断（如闹钟中断、溢出中断）。	需要启用中断功能时	需结合中断控制器（NVIC）配置。
[其他标志位函数]	（如检查同步状态、中断标志等，会议未详细列出，需结合具体寄存器操作）	状态监控或错误处理时	需参考官方库函数文档或寄存器定义。

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 BKPRCC_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}
}