一个关于使用STM32F4芯片CCM RAM时的异常分析

掘金小分队

前言

有客户用STM32F427芯片，程序将CSTACK放在CCM RAM中，结果测试过一段时间的板子都出现了不能正常运行的情况。这个现象一度让我们怀疑是否是CCM RAM在测试过程中遭到了破坏，导致我们在解决问题的道路上浪费了不少时间。
事实证明STM32的CCM RAM并没有那么脆弱，而解决问题时尽力从多个角度进行验证，不放过所有可能出问题的环节之心态更为重要。
在具体讨论问题的原因之前，不妨先介绍一下STM32F4/STM32F3系列芯片上的CCM RAM。


CCM RAM介绍

ST的STM32F303, STM32F358, STM32F328, STM32F334系列和STM32F4的Advanced line系列芯片里都有CCM(Core Coupled Memory) RAM。但仔细看系统架构图会发现F3和F4的CCM RAM还是有不一样的地方。如下面是STM32F303和STM32F427的架构图：


F3和F4的CCM RAM都只能被内核访问，DMA主设备没有连接到CCM RAM，所以不能访问它。从上图我们还能看到，对于F303的CCM RAM它连接到了数据总线和指令总线上，所以32F303的CCM RAM既可以放数据也可以执行代码。但32F427的CCM RAM只连接到了数据总线，所以F427的CCM RAM不能执行代码。这一点需要注意。


数据和代码放在CCMRAM的好处是，访问和执行的速度更快。www.stmcu.com.cn网站上可以下载到AN4296的中文版本，这篇应用手册里详细说明了怎么从F303的CCM RAM里执行代码。在这里就不再赘述了。下面接着讲讲前面在32F427上遇到的异常问题。


问题描述

客户的产品做了一段时间的测试后发现一批板子全部出问题。客户方面进行分析后用了一段简单的点灯程序进行测试，发现当CSTACK放在不同的位置时程序表现不一样。CSTACK放在SRAM中时，工作正常，但放在CCM RAM中就不能正常运行。从这个现象看很像是CCM RAM出问题了，且恰好只有经过测试的板子有问题，其他板子都没有问题。



测试过程

拿到客户的板子和测试代码后很容易就重现了客户描述的现象。
首先检查了客户测试代码中的link文件。发现link文件写的没错。【IAR环境】
/*###ICF### Section handled by ICFeditor, don't touch! ****/
/*-Editor annotation file-*/
/*IcfEditorFile="$TOOLKIT_DIR$\config\ide\IcfEditor\cortex_v1_0.xml" */
/*-Specials-*/
define symbol__ICFEDIT_intvec_start__ = 0x08000000;
/*-Memory Regions-*/
define symbol __ICFEDIT_region_ROM_start__= 0x08000000;
define symbol__ICFEDIT_region_ROM_end__ = 0x081FFFFF;
define symbol__ICFEDIT_region_RAM_start__ = 0x20000000;
define symbol__ICFEDIT_region_RAM_end__ = 0x2002FFFF;
define symbol__ICFEDIT_region_CCMRAM_start__ = 0x10000000;
define symbol__ICFEDIT_region_CCMRAM_end__ = 0x1000FFFF;
/*-Sizes-*/
define symbol__ICFEDIT_size_cstack__ = 0x400;
define symbol __ICFEDIT_size_heap__= 0x200;
/**** End of ICF editor section.###ICF###*/
define memory mem with size = 4G;
define region ROM_region = mem:[from__ICFEDIT_region_ROM_start__ to __ICFEDIT_region_ROM_end__];
define region RAM_region = mem:[from__ICFEDIT_region_RAM_start__ to __ICFEDIT_region_RAM_end__];
define region CCMRAM_region =mem:[from __ICFEDIT_region_CCMRAM_start__ to __ICFEDIT_region_CCMRAM_end__];
define block CSTACK with alignment =8, size = __ICFEDIT_size_cstack__ { };
define block HEAP with alignment =8, size = __ICFEDIT_size_heap__ { };
initialize by copy { readwrite };
do not initialize { section .noinit};
place at addressmem:__ICFEDIT_intvec_start__ { readonly section .intvec };
/*place at addressmem:__ICFEDIT_region_CCMRAM_start__ { block CSTACK };*/
place in CCMRAM_region {blockCSTACK};
place in ROM_region { readonly };
place in RAM_region { readwrite,block HEAP };


首先定义一个CCMRAM_region,然后通过”place in CCMRAM_region{block CSTACK};” 声明将CSTACK放在CCM RAM中。但在接下来的测试中发现了一些新的现象。


测试一：
首先测试过程中发现板子连着ST-LINK在debug状态下时，能正常运行。
只有断开ST-LINK,重新上电后就不能正常工作了。


测试二：
为了确认CCM RAM是不是真的坏了。另外写了一个程序，将CSTACK放在SRAM中，然后在程序运行的时候对CCM RAM地址空间进行遍历，对地址0x10000000 到0x1000FFFF空间逐次进行读写操作。发现程序正常运行，CCM RAM的读写正常。
实验做到这里，基本可以确定CCM RAM没有损坏。但为什么CSTACK不能放到CCM RAM中呢？
然后我们又做了第三个实验。


测试三：
对比拿到的坏板子的Optionbytes的值与默认值。逐个检测不同的位是否和问题相关。发现BFB2这位的状态会影响程序的运行。如果清除该位，即使将CSTACK放在CCM RAM中，程序也能正常运行。


原因分析

从上面的测试结果，发现问题跟Option bytes中的BFB2的状态有关。查询BFB2位的作用后搞清了问题的原因。我们先来说说BFB2做什么用。STM32F427的Flash支持双Bank. BFB2可以用来切换启动时从Bank2启动。我们来看看参考手册中的描述：



如果想从Flash Bank2启动，必须将BFB2位置1。如果此时boot引脚的配置是从用户Flash启动，芯片将先从系统bootloader启动，然后跳转到Bank2执行。
然后在应用笔记AN2606中，我们看到BFB2置1时的启动流程，发现了问题所在。见下图：



当BFB2置1时，在跳转到用户代码（Bank2或者Bank1）之前，系统bootloader会检查栈顶的位置是否在SRAM区域，也就是检查是否落在0X20000000开头的地址。如果不是，就会一直停在bootloader中，不继续执行。这也就是我们前面看到的程序不能正常运行的原因。


当将BFB2位清除后，问题马上解决了。而且对比当CSTACK设置在CCM RAM时还能正常工作的板子，发现这一位都是没有置1的。


找到程序不能正常运行原因后，我们就从错误的方向回到正途，开始寻找Option bytes被修改的原因了。
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