時鐘失效之后，STM32還能運行？

問題

該問題由某客戶提出，發生在 STM32F103VDT6 器件上。據其工程師講述：在其產品的設計中，STM32 的 HSE 外接 8MHz 的晶體產生振蕩，然后通過 STM32 內部的PLL 倍頻到 72MHz，作為 STM32 的系統時鐘，驅動芯片工作。在 STM32 片外有專用的看門狗芯片，監控 STM32 的運行。STM32 內部的軟件會在 STM32 的某個管腳上產生脈沖來復位看門狗。一旦 STM32 沒有及時的產生脈沖來復位門狗，則看門狗會認為 STM32 運行不正常，從而復位 STM32。在對該產品做可靠性測試時，進行了對看門狗監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 的做出復位動作。試驗結果表明，看門狗沒有產生復位動作。進一步測試發現，STM32 在失效情況下仍在向看門狗發送復位脈沖。

調研：

重復測試，確認其所述現象屬實。檢查軟件代碼，確認其軟件沒有開啟 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 HSE 正常振蕩時，MCO 送出的信號頻率為 36MHz，當 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]，說明此時的系統時鐘確實來自 PLL 的輸出。

從 STM32F103VD 的數據手冊中查找 PLL 相關的參數如表（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下，可以輸出 16MHz – 72MHz 的時鐘信號。而當輸入信號頻率過低而導致輸出信號頻率低于 16MHz 時，將可能處于失鎖的狀態。在這狀態下，它的輸出信號的頻率與輸入信號的頻率之間，不一定符合所設定的倍頻與分頻關系。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”這樣的結論。這一點與實測的結果相吻合。

結論：

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，產生輸出。以至，CPU 及其它外設仍能在 PLL 送出的時鐘的驅動下運行。所以，通過判斷有無時鐘來驅動 CPU 執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 中斷服務程序，加入 while(1) 陷阱語句；

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

建議：

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