STM32 时钟失效之后，还能继续运行

1万 · 2024-2-6 16:36

本帖最后由 cr315 于 2024-2-6 16:42 编辑

问题：

该问题由某客户提出，发生在 STM32F103VDT6 器件上。

据其工程师讲述：在其产品的设计中，STM32 的 HSE 外接 8MHz 的晶体产生振荡，然后通过 STM32 内部的PLL 倍频到 72MHz，作为 STM32 的系统时钟，驱动芯片工作。

在 STM32 片外有专用的看门狗芯片，监控 STM32 的运行。STM32 内部的软件会在 STM32 的某个管脚上产生脉冲来复位看门狗。一旦 STM32 没有及时的产生脉冲来复位门狗，则看门狗会认为 STM32 运行不正常，从而复位 STM32。

在对该产品做可靠性测试时，进行了对看门狗监控时钟失效能力的测试。测试的方法是：将 HSE 外接的晶体的两个端子接地，使其停止振荡，从而验证看门狗能否做出对 STM32 的做出复位动作。

试验结果表明，看门狗没有产生复位动作。进一步测试发现，STM32 在失效情况下仍在向看门狗发送复位脉冲。详解STM32时钟的文章：STM32时钟系统详解

调研：

重复测试，确认其所述现象属实。检查软件代码，确认其软件没有开启 STM32 的 CSS功能。修改代码，将 PLL 的二分频从 STM32 的 MCO 管脚送出，以方便用示波器观察。

通过控制晶体的管脚是否接地来控制 HSE 是否振荡。当 HSE 正常振荡时，MCO 送出的信号频率为 36MHz，当 HSE 停止振荡时，MCO 送出的信号的频率在 1.7MHz 附近，如图（一）所示:

通过调试器观察寄存器 RCC_CFGR 中的 SWS 控制控制位，其值为[10]，说明此时的系统时钟确实来自 PLL 的输出。

从 STM32F103VD 的数据手册中查找 PLL 相关的参数如表（一）：

其中，PLL 的输出频率范围是 16MHz – 72MHz。也就是说，PLL 在处于相位锁定的状态下，可以输出 16MHz – 72MHz 的时钟信号。

而当输入信号频率过低而导致输出信号频率低于 16MHz 时，将可能处于失锁的状态。在这状态下，它的输出信号的频率与输入信号的频率之间，不一定符合所设定的倍频与分频关系。更确切的说，不能通过公式:

得出“输入信号频率为零时，输出信号频率也为零”这样的结论。这一点与实测的结果相吻合。

1万 · 2024-2-6 16:36

本帖最后由 cr315 于 2024-2-6 16:43 编辑

结论：

STM32 的 PLL 在没有输入信号的情况下，仍能维持在最低的频点处振荡，产生输出。以至，CPU 及其它外设仍能在 PLL 送出的时钟的驱动下运行。所以，通过判断有无时钟来驱动 CPU 执行指令的方式来判断 HSE 是否失效是行不通的。

处理：
对软件做如下修改：
1. 在软件的初始化部分，开启 STM32 的 CSS 功能；
2. 修改 NMI 中断服务程序，加入 while(1) 陷阱语句；
开启 CSS 功能后，当 HSE 失效时，STM32 会自动开启 HSI，并将系统时钟的来源切换到HSI 的输出，同时产生 NMI 中断。这样，程序的流程将停留在 NMI 中而不能产生复位片外的看门狗的脉冲。当片外看门狗溢出后，就会复位 STM32，使其恢复到正常驻的状。

建议：

STM32 中的 CSS 功能是专门为检测和处理 HSE 失效而设计的。但该功能在 STM32 复位后是被禁止的，需要软件对其使能才会发挥作用。

当 CSS 单元检测到 HSE 失效时，它会使能 HSI,并将系统时钟切换到 HSI。同时，它会关闭 HSE，如果 PLL 的输入信号来自 HSE的输出，它也会关闭 PLL。

CSS 单元在做时钟调整的同时，也会产生一个 NMI 中断请求，和一个送给高级定时器的刹车信号。NMI 中断请求会产生一个 NMI 中断，以便用户程序可以在中断服务程序中做紧急处理，而刹车信号则是使高级定时器进入刹车状态，以防止由其控制的电机驱动桥臂由于失去控制而过流。

用户程序可以在 NMI 中断服务程序中尝试恢复 HSE 及 PLL 的功能，也可以使用陷阱让程序的流程停留在服务程序中，从而等待看门狗复位整个系统。