工程师笔记|带有空片检测功能的STM32需注意的GPIO设计

引言

从STM32F0部分型号开始，比如STM32F04x和STM32F09x，STM32越来越多的型号具有了空片检测（Empty Check）功能。以前，STM32的启动由BOOT0和BOOT1来决定，在引入了空片检测功能之后，则在BOOT0=0的情况下，还需要分两种情况：

一是内部已经存在代码，则从用户存储区启动；

二是如果是空片，则从系统存储区启动，执行内部Bootloader。

它带来什么好处呢？客户如果是空片上板，无需对BOOT0引脚进行跳线，就可以直接使用内部Bootloader进行串口或其他通讯口进行代码烧录了，可以说非常地方便。但是，这同时为GPIO的设计带来一个非常大的风险，在电路设计时需要引起注意，做好相应的措施。

问题起源

某客户在其产品的设计中，使用STM32G0B1RET6。有一天，客户工程师在测试电流的时候，无意间发现一个情况，说“有个比较奇怪的情况，STM32G0B1没有烧录代码的情况下，会比有烧录代码的情况下电流多了几十毫安。”按我们以往的认知，在没有烧录代码的情况下，没有任何操作，不该会出现这种情况啊。那么这是什么情况呢？

问题分析

测量STM32G0B1在没有烧录代码下的GPIO在悬空下的电平，可以发现有部分GPIO呈现为高电平，比如PA2/PA3和PA9/PA10。而客户在PA9上接了一个外部驱动电路，由高电平驱动，所以PA9的高电平，带动了该部分电路的工作，导致了电流的增加。

从参考手册RM0444的GPIO一章，我们知道STM32G0的GPIO在上电后应该为模拟状态，所以这些呈现高电平的GPIO显得有点奇怪。

突然想起STM32F091等型号早就已经有的空片检测功能，就继续查看STM32G0的参考手册RM0444的 “Memory and bus architecture”一章，果然，发现STM32G0系列同样拥有空片检测功能。也就是说，STM32G0B1在没有烧录代码的情况下，它是要到系统存储区去执行内部Bootloader的。

此时，需要打开应用笔记AN2606《STM32微控制器系统存储器自举模式》了解一下STM32G0B1在系统Bootloader下GPIO的状态。

由于之前已经检测到PA2/PA3和PA9/PA10为高电平，而这两个引脚对刚好是Bootloader中所用到USART1和USART2对应的GPIO引脚。于是，检查其在Bootloader中的配置状态，请参考图1。

Figure 1 系统Bootloader下USART1/2的端口状态

从图1中可以了解到PA2/PA3/PA9/PA10均配置为复用推挽结构，带上拉电阻。其中PA10/PA3为输入口，PA2/PA9为输出口。

使用一个1kΩ的电阻来测量PA9/PA10的端口状态，来确定其高电平的来源。系统VDD的电压为3.22V。

测量之前，需要了解一下GPIO的结构，如图2。

Figure 2 复用功能配置下的I/O的结构

从图2中可以得知，当作为输出时，端口上呈现的高电平来自P-MOS上的VDDIOX；当作为输入时，端口上呈现的高电平来自上拉电阻上的VDDIOX。下面来验证测试一下。

先对输出口PA9进行测量，使用1kΩ电阻串入PA9与VSS之间，并串上电流表，测得电流为3.22mA。由U=I·R公式，刚刚好，总电阻R = U / I = 3.22V ÷ 3.22mA = 1kΩ。也就是说，PA9的高电平由推挽结构中的P-MOS连接的VDDIOX提供，内部没有电阻。

再来对输入口PA10进行测量，使用1kΩ电阻串入PA10与VSS之间，并串上电流表，测得电流为85.4uA。总电阻R = U / I = 3.22V ÷ 85.4uA = 37.7kΩ，大于在外部串接的1kΩ电阻。也就是说，PA10的高电平来自上拉电阻所连接的VDDIOX，而且内部上拉电阻RPU = 37.7kΩ - 1kΩ = 36.7kΩ。

多加一步再次确认输入口PA10的情况，这次不使用1kΩ电阻，而是直接将PA10串上电流表连接到VSS，得到电流值为87.7uA。内部上拉电阻RPU = U / I = 3.22V ÷ 87.7uA = 36.7kΩ，与上面的测试是相同的。也符合STM32G0B1数据手册中内部上拉电阻的范围，如图3。

Figure 3 I/O的上下拉电阻参数

存在的风险

到此，已经清楚用户存储区没有烧录代码的时候，STM32启动将进入系统 Bootloader，PA9被设置为复用输出并输出高电平，从而推动外部电路产生的电流增加。但是我们应该更加深入地研究这个问题。客户的情况还算是比较好的，接的是一个驱动电路，并不会带来损坏。

想象一下，如果在客户的应用中，PA9是用作输入口，用来连接一个传感器的中断输出，比如连接3轴MEMS加速度计LIS2DH12的INT1/2引脚。查看LIS2DH12的数据手册，可以得知INT1和IN2引脚的初始状态是输出低电平的，如图4。

Figure 4 LIS2DH的INT1/INT2引脚初始状态

由于LIS2DH12的INT引脚初始状态是推挽输出且输出低电平，如果直接连接到PA9，而用户打算将空片先焊接于用户板，再进行代码烧录的话，那么，当上电的时候，LIS2DH12的INT引脚输出低电平，而STM32G0B1进入内部Bootloader后PA9输出高电平，直连将导致短路，电流从STM32G0B1的PA9内部的VDDIOX经过P-MOS，从PA9引脚出来，经过连接线，到达LIS2DH12的INT引脚，从内部的M-MOS流到VSS，中间因为没有电阻而造成短路，很可能会对芯片产生损坏。所以必须加以注意！

PA10作为复用输入功能，倒是没有这个风险。

结论

由于空片检测功能的存在，带有此功能的STM32型号在空片的情况下启动，将会进入系统存储区，执行内部Bootloader。内部Bootloader会将部分GPIO设置为复用功能输出引脚并输出高电平或低电平，如果此引脚在用户应用中作为输入引脚连接到外部芯片的输出引脚，那么STM32空片事先焊接于用户板时，上电将可能带来极大的风险。在GPIO设计中如遇到有空片检测功能的STM32必须对此加以注意。

解决办法

两种解决办法供用户选择。

1) 在两个芯片的连接中串入电阻进行保护，流经此电阻的电流必须要低于GPIO的注入电流，而且还必须保证不影响双边的高低电平识别。

2) 在使用带有空片检测功能的STM32型号中，在硬件设计上要预先检查AN2606中所描述的Bootloader使用并配置的复用功能输出引脚，在GPIO设计时避免在用户应用中将其作为输入引脚。

以上两种方法，推荐使用第二种方法，更简单、更稳妥。