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Cortex-M4之STM32F4介绍 应用前景

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-02-12 16:16         

  在中国“三网融合”大势所趋之下,未来几年,中国数字电视、电子游戏机等数字消费电子产品和高端电器市场需求旺盛,再加之工业领域持续的强劲增长,将极大拉动市场对16、32位高端MCU的需求。继Freescale、NXP陆续推出基于ARM Cortex-M4内核的产品之后,ST日前又点燃了“一把熊熊烈火”,把本已混战不堪的32位MCU市场搅得更加火热。

  ARM嵌入式应用市场经理罗霖此前在接受本刊采访时就曾表示,现在MCU产品需求和市场挑战,首先在于市场需要具备更高性能的低功耗产品,具备增强的连接性(例如接入USB, Ethernet, 802.15, NFC等);使代码重用的利用率更高;处理和连接能力增强的模拟设备。其次,在无线传感器、引擎控制和智能电表上使用的MCU产品需具有更高能效;而随着设计出的产品性能越来越复杂,对于内存和频率的要求也会变得更高,面对这些挑战,8/16位MCU已显得力不从心。

  低功耗和高性能始终是一对矛盾体,这是不争的事实。正因如此,既降低功耗,又能提供可接受的性能一直是单片机供应商所面临的技术挑战。日前,一条来自意法半导体的新闻引起业界众多关注该公司推出了号称“迄今为止,全球性能最强的基于ARM Cortex-M4内核的微控制器STM32F4”,并将应用目标锁定在数据交换及通信设备、医疗保健、安防、消费电子、工业自动化、绿色能源、白色家电等众多领域。

  ST微控制器全球市场部总监Daniel Colonna表示,STM32 F4系列引起市场关注有多方面的原因,其中最直接的原因为该系列是迄今性能最高的Cortex-M微控制器,且已全面量产。他同时还隐约了某些竞争对手,认为他们“只会大张旗鼓的宣传,却始终无法将M4产品成功量产。”

  Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的最新嵌入式处理器,用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。高效的信号处理功能与Cortex-M处理器系列的低能耗、低成本和易于使用的优点的组合,旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。

  ST方面称,公司正在利用新的STM32 F4系列进一步拓宽应用范围。STM32 F4的单周期DSP指令将会催生数字信号控制器(DSC)市场,数字信号控制器适用于高端电机控制、医疗设备和安全系统等应用,这些应用在计算能力和DSP指令方面有很高的要求。

  据悉,除引脚和软件兼容高性能的F2系列外,F4的主频(168MHz)高于F2系列(120MHz),并支持单周期DSP指令和浮点单元、更大的SRAM容量(192 KB,F2为128 KB)、512KB-1MB的嵌入式闪存以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。Daniel Colonna称,ST 90nm 运行性能(168MHz)和最佳动态功耗(在外设禁用时,从闪存执行Coremark评估代码,电流消耗38.6mA,处理频率168MHz)。

  来自TI的消息说,Stellaris配备256KB闪存和32KB SRAM,其ARM Cortex-M4F浮点内核工作频率最高可达80 MHz,待机电流最低至1.6 A;两个高性能12位模数转换器(ADC)和三个比较器可支持混合信号应用。其中,12位ADC准确度可在1 MSPS全采样速率下实现,不需要任何的硬件平均,从而免除了所有的性能折衷;连接选项方面,包括USB(主机、设备和On-The-Go)、UART、I2C、SSI/SPI和CAN,用于支持通信;集成型EEPROM则可支持用户接口或配置参数的耐用型非易失性存储,以降低系统成本。

  同时,为简化设计加快产品上市进程,TI还将免费的StellarisWare软件预先装入ROM以节省闪存空间,用户也可自行通过TI官网进行下载。Stellaris微控制器套件可由5种常用IDE支持,可在10分钟或更短时间内跨越式启动设计。开发人员能够轻松地调整设计,并在具有代码兼容性的整个 Stellaris Cortex-M 微控制器平台上实现代码复用。

  Jean Anne Booth强调说,TI绝非不能设计出全球性能最佳的微处理器产品。但从TI走访大量客户获得的反馈却显示,80MHz主频反而是性价比最好的一个平衡点。她进一步解释称,80MHz并带有带浮点运算功能,这已经要比现在的M3产品性能高很多;其次,价格是个很重要的问题,客户不会不考虑;最后,摆在眼前的功耗问题也需要客户“三思而后行”。因此,综合以上种种因素,TI最终将着眼点放在80MHz的Cortex-M4F上,认为这将给客户带来“性价比最高”的产品。

  就在ST和TI两家为自己的M4新品拼命摇旗呐喊的时候,飞思卡尔却静悄悄的在自己的微博上贴出了这样一段线微控制器系列内置ARM Cortex M4内核,为连续监测提供多种连接选项,并为便携式医疗设备、仪器仪表和工业测试和测量设备等应用领域的可靠模拟信号处理提供集成测量引擎。Kinetis K50系列已纳入飞思卡尔产品长期供货计划,至少15年的稳定供应。”

  这似乎是飞思卡尔对业界某些传闻“最无声,但却最有力”的。2010年6月,飞思卡尔正式推出基于ARM Cortex-M4处理器的90nm 32位MCU Kinetis系列,并计划于2011年全面供货。该系列采用了飞思卡尔90nm薄膜存储器(TFS)技术和FlexMemory功能(可配置的电子可擦除、可编程、只读存储器EEPROM)。新MCU还使用与ColdFire+MCU相同的软件支持工具和超低功耗灵活性,使客户能够轻松地为其最终应用选择最佳解决方案。

  从M0到M4,随着半导体厂商纷纷加入ARM阵营,这是否意味着MCU市场的专用架构时代正在过去,一个通用的Cortext M内核的时代已经到来?这又是否符合嵌入式市场的原则?让我们拭目以待。

  ARM公司2010年02月24日宣布推出新款嵌入式处理器Cortex-M4,这也是这种高性能低功耗嵌入式方案的产品,之前三代分别是Cortex-M0/M1/M3。

  Cortex-M4是一种面向数字信号处理(DSC)和高级微控制器(MCU)应用的高效方案,具有高效率的信号处理能力,同时还有低功耗、低成本、简单易用等特点;在CM3基础上强化了运算能力,新加了浮点,DSP,并行计算,双MAC等。ARM希望把Cortex-M4用于数字信号控制市场,也就是既有微控制器的“控制”能力,又有DSP的“处理”能力,适合电机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频(能听懂人说话的智能洋娃娃?)和工业自动化等领域。

  Cortex-M4处理器内集成了单循环乘法累计(MAC)单元、优化的单指令多数据(SIMD)指令、饱和算法指令和可选择的单精度浮点单元(FPU),同时保留了Cortex-M系列的一贯特色技术,比如处能最高1.25DMIPS/MHz的32位核心、代码密度优化的Thumb-2指令集、负责中断处理的嵌套中断向量控制器,此外还可以选择内存单元(MPU)、低成本诊断和追踪、完整休眠状态。

  Cortex-M4可以根据应用需要提供多种不同的制造方式,比如超低功耗版本采用台积电180nmULL工艺生产,目标频率150MHz的高性能版本则使用GlobalFoundries65nmLPe工艺生产,动态功耗也不超过40W/MHz。

  为了进一步巩固公司在32位MCU市场的领先地位,意法半导体重磅推出了全新的STM32 F4系列高性能微控制器产品。作为STM32平台的新产品,STM32 F4系列基于最新的ARM Cortex-M4内核,在现有的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能,并提高了运行速度。

  意法半导体现有的STM32产品适合各种应用领域,包括医疗服务、销售终端设备(POS)、建筑安全系统和工厂自动化、家庭娱乐等。此外,意法半导体正在利用新的STM32 F4系列进一步拓宽应用范围。STM32 F4的单周期DSP指令将会催生数字信号控制器(DSC)市场,数字信号控制器适用于高端电机控制、医疗设备和安全系统等应用,这些应用在计算能力和DSP指令方面有很高的要求。新的STM32 F4系列的引脚和软件完全兼容STM32 F2系列,如果STM32 F2系列的用户想要更大SRAM容量、更高的性能和更快速的外设接口,则可轻松地从F2升级到F4系列。此外,目前采用微控制器和数字信号处理器双片解决方案的客户可以选择STM32 F4,其在一个芯片中整合了传统两个芯片的特性。

  除引脚和软件兼容高性能的F2系列外,F4的主频(168MHz)高于F2系列(120MHz),并支持单周期DSP指令和浮点单元、更大的SRAM容量(192KB,F2是128KB)、512KB~1MB的嵌入式闪存以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。意法半导体的90nm CMOS制造技术和芯片集成的ST实时自适应“ART加速器”实现了领先的零等待状态下程序运行性能(168MHz)和最佳的动态功耗。

  其中,STM32F405集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设,并额外内置一个USB OTG全速/高速接口。产品采用4种封装(WLCSP64、LQFP64、LQFP100、LQFP144),内置多达1MB闪存。

  意法半导体还为客户提供了广泛的工具和软件支持,其中既包括349美元的STM3240G-EVAL评估版,可以协助客户评估产品的全部特性,也包括14.9美元的STM32 F4体验套件(STM32F4DISCOVERY)用于快捷的产品评估和样机制作。此外,STM32和ARM软件生态系统中还有众多开发可供客户选择。

   采用多达7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器,支持程序执行和数据传输并行处理,数据传输速率极快;

   内置的单精度FPU提升控制算法的执行速度,给目标应用增加更多功能,提高代码执行效率,缩短研发周期,减少了定点算法的缩放比和饱和负荷,且准许使用元语言工具;

   高集成度:最高1MB片上闪存,192KB SRAM,复位电,内部RC振荡器、PLL锁相环、低于1A的实时时钟(误差低于1秒);

   在电池或者较低电压供电的应用中,且要求高性能处理和低功耗运行,STM32 F4为此带来了更多的灵活性,以达到高性能和低功耗的目的;包括在待机或电池备用模式下,4KB备份SRAM数据被保存;在Vbat模式下实时时钟功耗小于1A;内置可调节稳压器,准许用户选择高性能或低功耗工作模式;

   出色的开发工具和软件生态系统:提供各种集成开发、元语言工具、DSP固件库、低价入门工具、软件库和协议栈。

  - 互联性:相机接口、加密/哈希硬件处理器、支持IEEE 1588 v2 10/100M以太网接口、2个USB OTG(其中1个支持高速模式);

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