STM32G070KBT6最小系统板绘制和晶振配置、BOOT模式配置

只看该作者 · 2024-7-3 10:12

芯片：选用STM32G070KBT6，具有128 KB Flash存储器、36 KB RAM，基于M0+内核，最大主频64MHz；

在stm32G0系列参考手册中我们可以发现高速外部时钟信号（HSE）可由两种可能的时钟源产生：一种是外部时钟信号（HSE），另一种是内部时钟信号（HSE）。时钟源：
- HSE 外部晶体/陶瓷谐振器（无源晶振英文为crystal或者resonator，即晶体或谐振器）
- HSE 用户外部时钟（可以是有源晶振或者其他单片机输出的时钟信号，有源晶振英文为oscillator，即振荡器）
谐振器和负载电容必须尽可能靠近振荡器引脚，以减少输出失真和启动稳定时间。负载电容的
必须根据所选振荡器调整负载电容值。

使用外部时钟时，OSC_OUT可以配置为普通IO口或者OSC_EN引脚，该引脚和有源晶振使能引脚连接，为外部有源晶振提供使能信号。它允许在器件进入低功耗模式时停止外部时钟源。

参考手册如下：说明HSE crystal模式下可以输入4-48MHZ oscillator（按理来说这个是有源晶振，为什么划分到晶体这来？）和HSE bypass模式下最大48MHZ时钟；

然后笔者又去看了stm32G070KB这个具体型号的产品手册，其中关于System clock source有如下一段话：

三种不同的时钟源可提供 SYSCLK 系统时钟：
- 4-48 MHz 高速振荡器，带外部晶体或陶瓷谐振器 (HSE)。它可为系统 PLL 提供时钟。HSE 也可配置为旁路模式，用于外部时钟。
- 16 MHz 高速内部 RC 振荡器 (HSI16)，可通过软件微调。它可以为系统 PLL 提供时钟。
- 系统 PLL 最大输出频率为 64 MHz。它可由 HSE 或 HSI16 时钟。

如果说oscillator也表示无源晶振的话，笔者在使用stm32cubemx配置g070KBT6的时钟树时遇到了以下问题：

可以看到无法配置HSE的crystal模式，只有BYPASS外部时钟模式，这个问题也有其他人遇到过，

参考链接：STM32G050的外部晶振的一些坑_stm32单片机的晶振引脚接有源晶振-CSDN博客

既然如此，我们姑且认为oscillator表示无源晶振，而在G070KBT6这个型号上也只能用BYPASS模式，虽然参考手册说可以用无源晶振但我们以cubeMX实际配置为准，即使用BYPASS模式并使用有源晶振作为外部时钟；

晶振：使用8MHZ有源晶振（YXC，杨兴晶振），该晶振参考书册中的电路如下：

顺便记录一下单片机PLL锁相环（Phase Locked Loop）倍频原理，为什么输入8MHZ振荡信号，最后能8倍频从而驱动64MHZ的单片机；

首先PLL的结构如下：鉴相器的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出。当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住；鉴相器的输出，可能会带点毛刺，过一下低通滤波；最后VCO它有这么个特性，一丢丢输入电压的变化，会导致输出频率出现很大的变化，个人认为实现频率增加的功能就是由VCO提供；

那么如何实现特定的2/4/8倍频呢？我们只需要在反馈回路上加一个相应的2/4/8分频器即可；

下载电路：使用SWD下载，这里SWD引脚和BOOT0引脚是冲突的；（G0系列只有boot0引脚而没有boot1引脚，具体启动模式选择后面会讲）

我们知道stm32的boot有三种模式：

我们先说明一下，boot只是决定了单片机上电后从哪个区域启动，由于每个区域对应一个固定的开始地址，那我们也可以理解为boot只决定了单片机从哪个地址开始运行；而我们下载程序的方法有很多，串口、SWD、Jtag等，这些方法都可以决定把程序下载到Flash或者SRAM中的任意地址中去，和什么boot模式无关；

如果想用串口下载那就得先1、选择系统存储器模式（系统存储器中有官方的串口下载bootloader，该程序被固化不可更改），2、按下复位键从系统存储器启动，将程序下载到flash；3、选择主闪存存储器模式；4、再按下复位键系统从主闪存存储器（即flash）启动，运行刚刚下载的程序；

上述步骤缺一不可，只有按下复位键之后才能以刚刚更改的模式运行，想要使用官方的bootloader下载程序就要进入系统存储器模式，该模式也只能下载程序不能运行程序；如果想要运行程序就要运行主闪存存储器存储器模式；

再来聊一下内置SRAM模式，即从SRAM中启动来运行下载到SRAM中的程序，首先我们知道如果下载程序到SRAM中再运行的话是不可行的，因为下载完程序后需要复位才能运行程序，而复位之后SRAM中的内容将会被清零；那么内置SRAM模式的作用是什么呢？作者网上查阅了相关资料发现有调试的作用，具体实现原理还没有弄清楚，如果有看到这里的大佬能解答一下我不胜感激。

那么还有一种方法可以下载程序在SRAM中并且在SRAM中运行程序，那就是选择主闪存存储器模式启动，然后再闪存flash开头我们自己编写一个bootloader，这个bootloader包含官方bootloader的串口下载功能（当然也可以添加一些其他功能），当App程序运行时检测到要下载程序就跳转到自己编写的bootloader中去，然后通过串口用代码指定程序下载到SRAM中（也可以指定下载到flash中），下载完再跳转到SRAM（或者跳转到flash）中，就可以运行刚刚下载的app程序；（关于bootloader和APP的内容请自行查阅）

这里我们选择使用SWD下载程序（SWD下载基于专用的SWD硬件接口，如果单片机芯片有SWD硬件接口就可以使用SWD下载），如果我们将程序下载到flash中那就从flash启动，即选择主闪存存储器模式；

由于SWD_CLK和boot0都在PA14引脚上，我们根据G0系列参考手册中如下所说的：

在 STM32G0x0 中，可以通过 BOOT0 引脚和用户选项字节中的启动配置位 nBOOT1、BOOT_SEL 和 nBOOT0 选择三种不同的启动模式，如下表所示。在芯片重启后，在第4个系统时钟的上升沿来检查BOOT引脚的电平及相关寄存器配置位来选择在复位后的启动模式（检测之后BOOT脚什么电平也就无所谓了）

由于G0系列只有boot0引脚，所以就用单片机寄存器中nBOOT1 bit位代替boot1引脚的功能；上表中nBOOT_SEL则设置boot0位是参照boot0物理引脚还是和boot1一样参照寄存器中的nBOOT0 bit位；具体如何应用可以参考下面这张图：（从别的作者那里扒来的【毕设】USB功率测试仪 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)）

结合上面两张图翻译一下就是：

当nBOOT_SEL被勾选，即为1时，启动模式为纯软件启动，这个时候你得先把该程序下载到芯片中才能更改启动模式，因此官方的bootloader就用不了了（官方bootloader得先改启动模式才能下载，顺序不对）；当nBOOT_SEL取消勾选时，启动模式由BOOT0引脚电平和nBOOT1决定，当BOOT0为0时从flash启动，BOOT0为1时看nBOOT1是否勾选，勾选则从系统存储区启动，这时可以使用官方的bootloader进行串口下载。没勾选则从内置SRAM区启动；总之SWD下载和官方bootloader一键串口下载不可兼得；

由于前面说了BOOT0引脚和SW_CLK冲突了，我们有两种解决方式；

1、在BOOT0引脚接一个下拉电阻（官方推荐阻值10K），由于我们是使用SWD下载所以只用主闪存存储器模式即可；

2、放弃BOOT0引脚，使用纯软件更改启动模式；（这里我们使用第一种解决方式，具体实现可以通过HAL库相关代码或者在stm32cubeprogrammer中实现，后续会验证能否用ST-Link的SWD更改启动模式）

复位电路：NRST低电平复位，于是接一个上拉电阻，再接一个按钮到地，按下按钮时NRST接地系统复位；还可以在NRST和GND之间接一个电容用来硬件消抖；

电源：使用了一个AMS1117的5V-3.3VLDO降压电路；

最终电路图如下：

关于晶振电路的布线也是有要求的：

1.晶振要尽可能靠近单片机晶振引脚，以此减小寄生电容和减小干扰；晶振的电容要尽可能靠近晶振；

2.晶振电路PCB区域（从顶层到底层）不走任何于晶振电路无关的走线，大功率强**件和高速信号线原理晶振电路；

3.晶振电路和MCU同层布线，且包地处理（通过在电路周围铺一圈地线来减小其他信号对电路的干扰，不与同层其他地相连，然后需要在晶振或晶体的周围打地过孔，使表层与中间层的地平面相连），同时晶振电路PCB区域的其他层也最好进行GND铺铜处理；

下图是有源晶振PCB布线：