Cortex-M4之STM32F4介紹 應(yīng)用前景

在中國“三網(wǎng)融合”大勢所趨之下，未來幾年，中國數(shù)字電視、電子游戲機(jī)等數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品和高端家用電器市場需求旺盛，再加之工業(yè)領(lǐng)域持續(xù)的強(qiáng)勁增長，將極大拉動(dòng)市場對(duì)16、32位高端MCU的需求。繼Freescale、NXP陸續(xù)推出基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品之后，ST日前又點(diǎn)燃了“一把熊熊烈火”，把本已混戰(zhàn)不堪的32位MCU市場攪得更加火熱。

　　史上最強(qiáng)M4微處理器如何打造?

　　ARM嵌入式應(yīng)用市場經(jīng)理羅霖此前在接受本刊采訪時(shí)就曾表示，現(xiàn)在MCU產(chǎn)品需求和市場挑戰(zhàn)，首先在于市場需要具備更高性能的低功耗產(chǎn)品，具備增強(qiáng)的連接性(例如接入U(xiǎn)SB, Ethernet, 802.15, NFC等);使代碼重用的利用率更高;處理和連接能力增強(qiáng)的模擬設(shè)備。其次，在無線傳感器、引擎控制和智能電表上使用的MCU產(chǎn)品需具有更高能效;而隨著設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品性能越來越復(fù)雜，對(duì)于內(nèi)存和頻率的要求也會(huì)變得更高，面對(duì)這些挑戰(zhàn)，8/16位MCU已顯得力不從心。

　　低功耗和高性能始終是一對(duì)矛盾體，這是不爭的事實(shí)。正因如此，既降低功耗，又能提供可接受的性能一直是單片機(jī)供應(yīng)商所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。日前，一條來自意法半導(dǎo)體的新聞引起業(yè)界眾多關(guān)注——該公司推出了號(hào)稱“迄今為止，全球性能最強(qiáng)的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32 F4”，并將應(yīng)用目標(biāo)鎖定在數(shù)據(jù)交換及通信設(shè)備、醫(yī)療保健、安防監(jiān)控、消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、綠色能源、白色家電等眾多領(lǐng)域。

　　ST微控制器全球市場部總監(jiān)Daniel Colonna表示，STM32 F4系列引起市場關(guān)注有多方面的原因，其中最直接的原因?yàn)樵撓盗惺瞧裥阅茏罡叩腃ortex-M微控制器，且已全面量產(chǎn)。他同時(shí)還隱約批評(píng)了某些競爭對(duì)手，認(rèn)為他們“只會(huì)大張旗鼓的宣傳，卻始終無法將M4產(chǎn)品成功量產(chǎn)。”

　　Cortex-M4處理器是由ARM專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制市場。高效的信號(hào)處理功能與Cortex-M處理器系列的低能耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，旨在滿足專門面向電動(dòng)機(jī)控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化市場的新興類別的靈活解決方案。

　　ST方面稱，公司正在利用新的STM32 F4系列進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍。STM32 F4的單周期DSP指令將會(huì)催生數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)市場，數(shù)字信號(hào)控制器適用于高端電機(jī)控制、醫(yī)療設(shè)備和安全系統(tǒng)等應(yīng)用，這些應(yīng)用在計(jì)算能力和DSP指令方面有很高的要求。

　　STM32 F4實(shí)時(shí)處理能力

　　據(jù)悉，除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F(xiàn)4的主頻(168MHz)高于F2系列(120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元、更大的SRAM容量(192 KB，F(xiàn)2為128 KB)、512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網(wǎng)絡(luò)接口和數(shù)據(jù)加密等更先進(jìn)的外設(shè)。Daniel Colonna稱，ST 90nm 運(yùn)行性能(168MHz)和最佳動(dòng)態(tài)功耗(在外設(shè)禁用時(shí)，從閃存執(zhí)行Coremark評(píng)估代碼，電流消耗38.6mA，處理頻率168MHz)。

　　德州儀器：更看重性價(jià)比

　　拿M4做文章的還有TI，就在STM32 F4發(fā)布僅僅兩天之后，通過收購Luminary進(jìn)入Cortext M陣營的TI也推出了自己的新型低功耗、浮點(diǎn) Stellaris Cortex-M4F微控制器系列。TI Stellaris ARM Cortex-M微控制器平臺(tái)業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Jean Anne Booth對(duì)媒體說，新型Stellaris MCU是全球首批采用65nm工藝制造的基于Cortex-M的MCU，為“實(shí)現(xiàn)更高的速度、更大的內(nèi)存甚至更低的功耗鋪平了道路。”

　　來自TI的消息說，Stellaris配備256KB閃存和32KB SRAM，其ARM Cortex-M4F浮點(diǎn)內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)80 MHz，待機(jī)電流最低至1.6 μA;兩個(gè)高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和三個(gè)比較器可支持混合信號(hào)應(yīng)用。其中，12位ADC準(zhǔn)確度可在1 MSPS全采樣速率下實(shí)現(xiàn)，不需要任何的硬件平均，從而免除了所有的性能折衷;連接選項(xiàng)方面，包括USB(主機(jī)、設(shè)備和On-The-Go)、UART、I2C、SSI/SPI和CAN，用于支持通信;集成型EEPROM則可支持用戶接口或配置參數(shù)的耐用型非易失性存儲(chǔ)，以降低系統(tǒng)成本。

　　同時(shí)，為簡化設(shè)計(jì)加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，TI還將免費(fèi)的StellarisWare軟件預(yù)先裝入ROM以節(jié)省閃存空間，用戶也可自行通過TI官網(wǎng)進(jìn)行下載。Stellaris微控制器套件可由5種常用IDE支持，可在10分鐘或更短時(shí)間內(nèi)跨越式啟動(dòng)設(shè)計(jì)。開發(fā)人員能夠輕松地調(diào)整設(shè)計(jì)，并在具有代碼兼容性的整個(gè) Stellaris Cortex-M 微控制器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用。

　　Jean Anne Booth強(qiáng)調(diào)說，TI絕非不能設(shè)計(jì)出全球性能最佳的微處理器產(chǎn)品。但從TI走訪大量客戶獲得的反饋卻顯示，80MHz主頻反而是性價(jià)比最好的一個(gè)平衡點(diǎn)。她進(jìn)一步解釋稱，80MHz并帶有帶浮點(diǎn)運(yùn)算功能，這已經(jīng)要比現(xiàn)在的M3產(chǎn)品性能高很多;其次，價(jià)格是個(gè)很重要的問題，客戶不會(huì)不考慮;最后，擺在眼前的功耗問題也需要客戶“三思而后行”。因此，綜合以上種種因素，TI最終將著眼點(diǎn)放在80MHz的Cortex-M4F上，認(rèn)為這將給客戶帶來“性價(jià)比最高”的產(chǎn)品。

　　飛思卡爾：Kinetis K50保證至少15年穩(wěn)定供應(yīng)

　　就在ST和TI兩家為自己的M4新品拼命搖旗吶喊的時(shí)候，飛思卡爾卻靜悄悄的在自己的官方微博上貼出了這樣一段話，“飛思卡爾的K50微控制器系列內(nèi)置ARM Cortex M4內(nèi)核，為連續(xù)監(jiān)測提供多種連接選項(xiàng)，并為便攜式醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表和工業(yè)測試和測量設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域的可靠模擬信號(hào)處理提供集成測量引擎。Kinetis K50系列已納入飛思卡爾產(chǎn)品長期供貨計(jì)劃，保證至少15年的穩(wěn)定供應(yīng)。”

　　這似乎是飛思卡爾對(duì)業(yè)界某些傳聞“最無聲，但卻最有力”的抗議。2010年6月，飛思卡爾正式推出基于ARM Cortex-M4處理器的90nm 32位MCU Kinetis系列，并計(jì)劃于2011年全面供貨。該系列采用了飛思卡爾90nm薄膜存儲(chǔ)器(TFS)技術(shù)和FlexMemory功能(可配置的電子可擦除、可編程、只讀存儲(chǔ)器EEPROM)。新MCU還使用與ColdFire+MCU相同的軟件支持工具和超低功耗靈活性，使客戶能夠輕松地為其最終應(yīng)用選擇最佳解決方案。

　　從M0到M4，隨著半導(dǎo)體廠商紛紛加入ARM陣營，這是否意味著MCU市場的專用架構(gòu)時(shí)代正在過去，一個(gè)通用的Cortext M內(nèi)核的時(shí)代已經(jīng)到來?這又是否符合嵌入式市場的原則?讓我們拭目以待。

二、Cortex-M4介紹

ARM公司2010年02月24日宣布推出新款嵌入式處理器Cortex-M4，這也是這種高性能低功耗嵌入式方案的第四代產(chǎn)品，之前三代分別是Cortex-M0/M1/M3。

Cortex-M4架構(gòu)圖

Cortex-M4處理器內(nèi)集成了單循環(huán)乘法累計(jì)(MAC)單元、優(yōu)化的單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)指令、飽和算法指令和可選擇的單精度浮點(diǎn)單元(FPU)，同時(shí)保留了Cortex-M系列的一貫特色技術(shù)，比如處理性能最高1.25DMIPS/MHz的32位核心、代碼密度優(yōu)化的Thumb-2指令集、負(fù)責(zé)中斷處理的嵌套中斷向量控制器，此外還可以選擇內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)、低成本診斷和追蹤、完整休眠狀態(tài)。