引言 ——— 从STM32F0部分型号开始,比如STM32F04x和STM32F09x,STM32越来越多的型号具有了空片检测(Empty Check)功能。以前,STM32的启动由BOOT0和BOOT1来决定,在引入了空片检测功能之后,则在BOOT0=0的情况下,还需要分两种情况:/ A$ q4 v# m+ A# c' A1 z6 \3 f% p 一是内部已经存在代码,则从用户存储区启动;) Z5 v$ p1 h+ ^7 K1 q 二是如果是空片,则从系统存储区启动,执行内部Bootloader。! ^- H i/ X8 Q. i5 A d; ^ 它带来什么好处呢?客户如果是空片上板,无需对BOOT0引脚进行跳线,就可以直接使用内部Bootloader进行串口或其他通讯口进行代码烧录了,可以说非常地方便。但是,这同时为GPIO的设计带来一个非常大的风险,在电路设计时需要引起注意,做好相应的措施。 问题起源 —————— 某客户在其产品的设计中,使用STM32G0B1RET6。有一天,客户工程师在测试电流的时候,无意间发现一个情况,说“有个比较奇怪的情况,STM32G0B1没有烧录代码的情况下,会比有烧录代码的情况下电流多了几十毫安。”按我们以往的认知,在没有烧录代码的情况下,没有任何操作,不该会出现这种情况啊。那么这是什么情况呢? j6 s" }+ E4 D: W, m5 s问题分析 —————— 测量STM32G0B1在没有烧录代码下的GPIO在悬空下的电平,可以发现有部分GPIO呈现为高电平,比如PA2/PA3和PA9/PA10。而客户在PA9上接了一个外部驱动电路,由高电平驱动,所以PA9的高电平,带动了该部分电路的工作,导致了电流的增加。; F- R+ j+ e! f! V( |: z$ r* R) g 从参考手册RM0444的GPIO一章,我们知道STM32G0的GPIO在上电后应该为模拟状态,所以这些呈现高电平的GPIO显得有点奇怪。# C6 l% t- E. z$ ]% E4 ^* h 4 b" S: m) V/ P 突然想起STM32F091等型号早就已经有的空片检测功能,就继续查看STM32G0的参考手册RM0444的 “Memory and bus architecture”一章,果然,发现STM32G0系列同样拥有空片检测功能。也就是说,STM32G0B1在没有烧录代码的情况下,它是要到系统存储区去执行内部Bootloader的。 ; S* S% E8 L" B) w! v! c* |+ I 此时,需要打开应用笔记AN2606《STM32微控制器系统存储器自举模式》了解一下STM32G0B1在系统Bootloader下GPIO的状态。 - _5 s1 W1 u" {4 G, l/ W 由于之前已经检测到PA2/PA3和PA9/PA10为高电平,而这两个引脚对刚好是Bootloader中所用到USART1和USART2对应的GPIO引脚。于是,检查其在Bootloader中的配置状态,请参考图1。6 L) h, ~7 Q; x# U: Q- @ Figure 1 系统Bootloader下USART1/2的端口状态 , L# I# I% r% p0 j" w 从图1中可以了解到PA2/PA3/PA9/PA10均配置为复用推挽结构,带上拉电阻。其中PA10/PA3为输入口,PA2/PA9为输出口。 5 X! c' g6 c- f% ^9 f, |* K0 T2 g . I$ C/ `# ?: @ 使用一个1kΩ的电阻来测量PA9/PA10的端口状态,来确定其高电平的来源。系统VDD的电压为3.22V。2 E8 N1 F6 w% S. D, |0 b k 3 A, j- Y, l0 {/ `- R2 X5 o- o: X 测量之前,需要了解一下GPIO的结构,如图2。/ s% k; Q1 V( i3 s Figure 2 复用功能配置下的I/O的结构 6 u4 H5 W, c- Q' b( ^) t2 U r 从图2中可以得知,当作为输出时,端口上呈现的高电平来自P-MOS上的VDDIOX;当作为输入时,端口上呈现的高电平来自上拉电阻上的VDDIOX。下面来验证测试一下。 先对输出口PA9进行测量,使用1kΩ电阻串入PA9与VSS之间,并串上电流表,测得电流为3.22mA。由U=I·R公式,刚刚好,总电阻R = U / I = 3.22V ÷ 3.22mA = 1kΩ。也就是说,PA9的高电平由推挽结构中的P-MOS连接的VDDIOX提供,内部没有电阻。2 s- Q1 a" q$ Q) W 2 A K) {- u1 l& W- f3 G 3 M, k% M' G Z6 p- k 再来对输入口PA10进行测量,使用1kΩ电阻串入PA10与VSS之间,并串上电流表,测得电流为85.4uA。总电阻R = U / I = 3.22V ÷ 85.4uA = 37.7kΩ,大于在外部串接的1kΩ电阻。也就是说,PA10的高电平来自上拉电阻所连接的VDDIOX,而且内部上拉电阻RPU = 37.7kΩ - 1kΩ = 36.7kΩ。0 ^- |3 W, }3 B ) ?* m5 J9 k5 Z8 k5 C$ Q 多加一步再次确认输入口PA10的情况,这次不使用1kΩ电阻,而是直接将PA10串上电流表连接到VSS,得到电流值为87.7uA。内部上拉电阻RPU = U / I = 3.22V ÷ 87.7uA = 36.7kΩ,与上面的测试是相同的。也符合STM32G0B1数据手册中内部上拉电阻的范围,如图3。$ B; r% c: {& H# P Figure 3 I/O的上下拉电阻参数 存在的风险 —————— 到此,已经清楚用户存储区没有烧录代码的时候,STM32启动将进入系统 Bootloader,PA9被设置为复用输出并输出高电平,从而推动外部电路产生的电流增加。但是我们应该更加深入地研究这个问题。客户的情况还算是比较好的,接的是一个驱动电路,并不会带来损坏。; A, l" k- |# V9 J5 |; _8 f3 |1 _( b0 c% K8 | T 想象一下,如果在客户的应用中,PA9是用作输入口,用来连接一个传感器的中断输出,比如连接3轴MEMS加速度计LIS2DH12的INT1/2引脚。查看LIS2DH12的数据手册,可以得知INT1和IN2引脚的初始状态是输出低电平的,如图4。 Figure 4 LIS2DH的INT1/INT2引脚初始状态 5 T" n* |/ q7 X# B9 z2 Y$ z; v) A( w, C3 X! Z9 C, g 由于LIS2DH12的INT引脚初始状态是推挽输出且输出低电平,如果直接连接到PA9,而用户打算将空片先焊接于用户板,再进行代码烧录的话,那么,当上电的时候,LIS2DH12的INT引脚输出低电平,而STM32G0B1进入内部Bootloader后PA9输出高电平,直连将导致短路,电流从STM32G0B1的PA9内部的VDDIOX经过P-MOS,从PA9引脚出来,经过连接线,到达LIS2DH12的INT引脚,从内部的M-MOS流到VSS,中间因为没有电阻而造成短路,很可能会对芯片产生损坏。所以必须加以注意! PA10作为复用输入功能,倒是没有这个风险。" ^% i; |# ]5 p7 M 1 {. j4 B9 M5 W4 x& O: g% H$ { 结论 ———— 由于空片检测功能的存在,带有此功能的STM32型号在空片的情况下启动,将会进入系统存储区,执行内部Bootloader。内部Bootloader会将部分GPIO设置为复用功能输出引脚并输出高电平或低电平,如果此引脚在用户应用中作为输入引脚连接到外部芯片的输出引脚,那么STM32空片事先焊接于用户板时,上电将可能带来极大的风险。在GPIO设计中如遇到有空片检测功能的STM32必须对此加以注意。解决办法 —————— 两种解决办法供用户选择。1) 在两个芯片的连接中串入电阻进行保护,流经此电阻的电流必须要低于GPIO的注入电流,而且还必须保证不影响双边的高低电平识别。 2) 在使用带有空片检测功能的STM32型号中,在硬件设计上要预先检查AN2606中所描述的Bootloader使用并配置的复用功能输出引脚,在GPIO设计时避免在用户应用中将其作为输入引脚。 F0 V% }! i1 V) [, W* p 以上两种方法,推荐使用第二种方法,更简单、更稳妥。 |
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