【導(dǎo)讀】從STM32F0部分型號(hào)開始，比如STM32F04x和STM32F09x，STM32越來越多的型號(hào)具有了空片檢測(cè)（Empty Check）功能。以前，STM32的啟動(dòng)由BOOT0和BOOT1來決定，在引入了空片檢測(cè)功能之后，則在BOOT0=0的情況下，還需要分兩種情況：
一是內(nèi)部已經(jīng)存在代碼，則從用戶存儲(chǔ)區(qū)啟動(dòng)；
二是如果是空片，則從系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)啟動(dòng)，執(zhí)行內(nèi)部Bootloader。
它帶來什么好處呢？客戶如果是空片上板，無需對(duì)BOOT0引腳進(jìn)行跳線，就可以直接使用內(nèi)部Bootloader進(jìn)行串口或其他通訊口進(jìn)行代碼燒錄了，可以說非常地方便。但是，這同時(shí)為GPIO的設(shè)計(jì)帶來一個(gè)非常大的風(fēng)險(xiǎn)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要引起注意，做好相應(yīng)的措施。
問題起源
某客戶在其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，使用STM32G0B1RET6。有一天，客戶工程師在測(cè)試電流的時(shí)候，無意間發(fā)現(xiàn)一個(gè)情況，說“有個(gè)比較奇怪的情況，STM32G0B1沒有燒錄代碼的情況下，會(huì)比有燒錄代碼的情況下電流多了幾十毫安。”按我們以往的認(rèn)知，在沒有燒錄代碼的情況下，沒有任何操作，不該會(huì)出現(xiàn)這種情況啊。那么這是什么情況呢？
問題分析
測(cè)量STM32G0B1在沒有燒錄代碼下的GPIO在懸空下的電平，可以發(fā)現(xiàn)有部分GPIO呈現(xiàn)為高電平，比如PA2/PA3和PA9/PA10。而客戶在PA9上接了一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)電路，由高電平驅(qū)動(dòng)，所以PA9的高電平，帶動(dòng)了該部分電路的工作，導(dǎo)致了電流的增加。
從參考手冊(cè)RM0444的GPIO一章，我們知道STM32G0的GPIO在上電后應(yīng)該為模擬狀態(tài)，所以這些呈現(xiàn)高電平的GPIO顯得有點(diǎn)奇怪。
突然想起STM32F091等型號(hào)早就已經(jīng)有的空片檢測(cè)功能，就繼續(xù)查看STM32G0的參考手冊(cè)RM0444的 “Memory and bus architecture”一章，果然，發(fā)現(xiàn)STM32G0系列同樣擁有空片檢測(cè)功能。也就是說，STM32G0B1在沒有燒錄代碼的情況下，它是要到系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)去執(zhí)行內(nèi)部Bootloader的。
此時(shí)，需要打開應(yīng)用筆記AN2606《STM32微控制器系統(tǒng)存儲(chǔ)器自舉模式》了解一下STM32G0B1在系統(tǒng)Bootloader下GPIO的狀態(tài)。
由于之前已經(jīng)檢測(cè)到PA2/PA3和PA9/PA10為高電平，而這兩個(gè)引腳對(duì)剛好是Bootloader中所用到USART1和USART2對(duì)應(yīng)的GPIO引腳。于是，檢查其在Bootloader中的配置狀態(tài)，請(qǐng)參考圖1。
Figure 1 系統(tǒng)Bootloader下USART1/2的端口狀態(tài)
從圖1中可以了解到PA2/PA3/PA9/PA10均配置為復(fù)用推挽結(jié)構(gòu)，帶上拉電阻。其中PA10/PA3為輸入口，PA2/PA9為輸出口。
使用一個(gè)1k?的電阻來測(cè)量PA9/PA10的端口狀態(tài)，來確定其高電平的來源。系統(tǒng)VDD的電壓為3.22V。
測(cè)量之前，需要了解一下GPIO的結(jié)構(gòu)，如圖2。
Figure 2 復(fù)用功能配置下的I/O的結(jié)構(gòu)
從圖2中可以得知，當(dāng)作為輸出時(shí)，端口上呈現(xiàn)的高電平來自P-MOS上的VDDIOX；當(dāng)作為輸入時(shí)，端口上呈現(xiàn)的高電平來自上拉電阻上的VDDIOX。下面來驗(yàn)證測(cè)試一下。
先對(duì)輸出口PA9進(jìn)行測(cè)量，使用1k?電阻串入PA9與VSS之間，并串上電流表，測(cè)得電流為3.22mA。由U=I·R公式，剛剛好，總電阻R = U / I = 3.22V ÷ 3.22mA = 1k?。也就是說，PA9的高電平由推挽結(jié)構(gòu)中的P-MOS連接的VDDIOX提供，內(nèi)部沒有電阻。
再來對(duì)輸入口PA10進(jìn)行測(cè)量，使用1k?電阻串入PA10與VSS之間，并串上電流表，測(cè)得電流為85.4uA。總電阻R = U / I = 3.22V ÷ 85.4uA = 37.7k?，大于在外部串接的1k?電阻。也就是說，PA10的高電平來自上拉電阻所連接的VDDIOX，而且內(nèi)部上拉電阻RPU = 37.7k? - 1k? = 36.7k?。
多加一步再次確認(rèn)輸入口PA10的情況，這次不使用1k?電阻，而是直接將PA10串上電流表連接到VSS，得到電流值為87.7uA。內(nèi)部上拉電阻RPU = U / I = 3.22V ÷ 87.7uA = 36.7k?，與上面的測(cè)試是相同的。也符合STM32G0B1數(shù)據(jù)手冊(cè)中內(nèi)部上拉電阻的范圍，如圖3。
Figure 3 I/O的上下拉電阻參數(shù)
存在的風(fēng)險(xiǎn)
到此，已經(jīng)清楚用戶存儲(chǔ)區(qū)沒有燒錄代碼的時(shí)候，STM32啟動(dòng)將進(jìn)入系統(tǒng) Bootloader，PA9被設(shè)置為復(fù)用輸出并輸出高電平，從而推動(dòng)外部電路產(chǎn)生的電流增加。但是我們應(yīng)該更加深入地研究這個(gè)問題。客戶的情況還算是比較好的，接的是一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，并不會(huì)帶來損壞。
想象一下，如果在客戶的應(yīng)用中，PA9是用作輸入口，用來連接一個(gè)傳感器的中斷輸出，比如連接3軸MEMS加速度計(jì)LIS2DH12的INT1/2引腳。查看LIS2DH12的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以得知INT1和IN2引腳的初始狀態(tài)是輸出低電平的，如圖4。
Figure 4 LIS2DH的INT1/INT2引腳初始狀態(tài)
由于LIS2DH12的INT引腳初始狀態(tài)是推挽輸出且輸出低電平，如果直接連接到PA9，而用戶打算將空片先焊接于用戶板，再進(jìn)行代碼燒錄的話，那么，當(dāng)上電的時(shí)候，LIS2DH12的INT引腳輸出低電平，而STM32G0B1進(jìn)入內(nèi)部Bootloader后PA9輸出高電平，直連將導(dǎo)致短路，電流從STM32G0B1的PA9內(nèi)部的VDDIOX經(jīng)過P-MOS，從PA9引腳出來，經(jīng)過連接線，到達(dá)LIS2DH12的INT引腳，從內(nèi)部的M-MOS流到VSS，中間因?yàn)闆]有電阻而造成短路，很可能會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生損壞。所以必須加以注意！
PA10作為復(fù)用輸入功能，倒是沒有這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)論
由于空片檢測(cè)功能的存在，帶有此功能的STM32型號(hào)在空片的情況下啟動(dòng)，將會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)，執(zhí)行內(nèi)部Bootloader。內(nèi)部Bootloader會(huì)將部分GPIO設(shè)置為復(fù)用功能輸出引腳并輸出高電平或低電平，如果此引腳在用戶應(yīng)用中作為輸入引腳連接到外部芯片的輸出引腳，那么STM32空片事先焊接于用戶板時(shí)，上電將可能帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。在GPIO設(shè)計(jì)中如遇到有空片檢測(cè)功能的STM32必須對(duì)此加以注意。
解決辦法
兩種解決辦法供用戶選擇。
1) 在兩個(gè)芯片的連接中串入電阻進(jìn)行保護(hù)，流經(jīng)此電阻的電流必須要低于GPIO的注入電流，而且還必須保證不影響雙邊的高低電平識(shí)別。
2) 在使用帶有空片檢測(cè)功能的STM32型號(hào)中，在硬件設(shè)計(jì)上要預(yù)先檢查AN2606中所描述的Bootloader使用并配置的復(fù)用功能輸出引腳，在GPIO設(shè)計(jì)時(shí)避免在用戶應(yīng)用中將其作為輸入引腳。
以上兩種方法，推薦使用第二種方法，更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)妥。
來源：STM32單片機(jī)
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