時鐘失效之后，STM32還能運行？

問題

該問題由某客戶提出，發(fā)生在 STM32F103VDT6 器件上。據(jù)其工程師講述：在其產(chǎn)品的設(shè)計中，STM32 的 HSE 外接 8MHz 的晶體產(chǎn)生振蕩，然后通過 STM32 內(nèi)部的PLL 倍頻到 72MHz，作為 STM32 的系統(tǒng)時鐘，驅(qū)動芯片工作。在 STM32 片外有專用的看門狗芯片，監(jiān)控 STM32 的運行。STM32 內(nèi)部的軟件會在 STM32 的某個管腳上產(chǎn)生脈沖來復(fù)位看門狗。一旦 STM32 沒有及時的產(chǎn)生脈沖來復(fù)位門狗，則看門狗會認(rèn)為 STM32 運行不正常，從而復(fù)位 STM32。在對該產(chǎn)品做可靠性測試時，進行了對看門狗監(jiān)控時鐘失效能力的測試。測試的方法是：將 HSE 外接的晶體的兩個端子接地，使其停止振蕩，從而驗證看門狗能否做出對 STM32 的做出復(fù)位動作。試驗結(jié)果表明，看門狗沒有產(chǎn)生復(fù)位動作。進一步測試發(fā)現(xiàn)，STM32 在失效情況下仍在向看門狗發(fā)送復(fù)位脈沖。

調(diào)研：

重復(fù)測試，確認(rèn)其所述現(xiàn)象屬實。檢查軟件代碼，確認(rèn)其軟件沒有開啟 STM32 的 CSS功能。修改代碼，將 PLL 的二分頻從 STM32 的 MCO 管腳送出，以方便用示波器觀察。通過控制晶體的管腳是否接地來控制 HSE 是否振蕩。當(dāng) HSE 正常振蕩時，MCO 送出的信號頻率為 36MHz，當(dāng) HSE 停止振蕩時，MCO 送出的信號的頻率在 1.7MHz 附近，如圖（一）所示:

通過調(diào)試器觀察寄存器 RCC_CFGR 中的 SWS 控制控制位，其值為[10]，說明此時的系統(tǒng)時鐘確實來自 PLL 的輸出。

從 STM32F103VD 的數(shù)據(jù)手冊中查找 PLL 相關(guān)的參數(shù)如表（一）：

其中，PLL 的輸出頻率范圍是 16MHz – 72MHz。也就是說，PLL 在處于相位鎖定的狀態(tài)下，可以輸出 16MHz – 72MHz 的時鐘信號。而當(dāng)輸入信號頻率過低而導(dǎo)致輸出信號頻率低于 16MHz 時，將可能處于失鎖的狀態(tài)。在這狀態(tài)下，它的輸出信號的頻率與輸入信號的頻率之間，不一定符合所設(shè)定的倍頻與分頻關(guān)系。更確切的說，不能通過公式:

得出“輸入信號頻率為零時，輸出信號頻率也為零”這樣的結(jié)論。這一點與實測的結(jié)果相吻合。

結(jié)論：

STM32 的 PLL 在沒有輸入信號的情況下，仍能維持在最低的頻點處振蕩，產(chǎn)生輸出。以至，CPU 及其它外設(shè)仍能在 PLL 送出的時鐘的驅(qū)動下運行。所以，通過判斷有無時鐘來驅(qū)動 CPU 執(zhí)行指令的方式來判斷 HSE 是否失效是行不通的。

處理：

對軟件做如下修改：

1. 在軟件的初始化部分，開啟 STM32 的 CSS 功能；

2. 修改 NMI 中斷服務(wù)程序，加入 while(1) 陷阱語句；

開啟 CSS 功能后，當(dāng) HSE 失效時，STM32 會自動開啟 HSI，并將系統(tǒng)時鐘的來源切換到HSI 的輸出，同時產(chǎn)生 NMI 中斷。這樣，程序的流程將停留在 NMI 中而不能產(chǎn)生復(fù)位片外的看門狗的脈沖。當(dāng)片外看門狗溢出后，就會復(fù)位 STM32，使其恢復(fù)到正常駐的狀。

建議：

STM32 中的 CSS 功能是專門為檢測和處理 HSE 失效而設(shè)計的。但該功能在 STM32 復(fù)位后是被禁止的，須要軟件對其使能才會發(fā)揮作用。當(dāng) CSS 單元檢測到 HSE 失效時，它會使能 HSI,并將系統(tǒng)時鐘切換到 HSI。同時，它會關(guān)閉 HSE，如果 PLL 的輸入信號來自 HSE的輸出，它也會關(guān)閉 PLL。CSS 單元在做時鐘調(diào)整的同時，也會產(chǎn)生一個 NMI 中斷請求，和一個送給高級定時器的剎車信號。NMI 中斷請求會產(chǎn)生一個 NMI 中斷，以便用戶程序可以在中斷服務(wù)程序中做緊急處理，而剎車信號則是使高級定時器進入剎車狀態(tài)，以防止由其控制的電機驅(qū)動橋臂由于失去控制而過流。用戶程序可以在 NMI 中斷服務(wù)程序中嘗試恢復(fù) HSE 及 PLL 的功能，也可以使用陷阱讓程序的流程停留在服務(wù)程序中，從而等待看門狗復(fù)位整個系統(tǒng)。