2018年底,意法半導(dǎo)體(ST)在其STM32產(chǎn)品家族中新增了STM32G0系列微控制器。此舉向外界釋放出了一個(gè)很明確的信號(hào)——STM32 MCU從“F”系列到“G”系列的主流型系列升級(jí)之旅,已經(jīng)全面開(kāi)啟。未來(lái),越來(lái)越多“G”字輩新微控制器系列的涌現(xiàn),將不是一件令人感到意外的事件。
果然,半年之后,STM32G4系列來(lái)了。
新人新氣象
ST官方將G4系列定位于“主流型MCU”系列,可視為STM32F3/STM32F1的升級(jí)之作,但又保持了高度兼容性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上彌補(bǔ)了前者的性能和外設(shè)資源上的不足,以適應(yīng)細(xì)分市場(chǎng)發(fā)展需要的同時(shí),又讓開(kāi)發(fā)者有機(jī)會(huì)將以前的設(shè)計(jì)平滑過(guò)渡到新一代MCU平臺(tái)上,從而在電機(jī)控制、工業(yè)設(shè)備、儀器與測(cè)量、高端消費(fèi)類產(chǎn)品、數(shù)字電源(高頻數(shù)字開(kāi)關(guān)電源、功率因數(shù)補(bǔ)償)等領(lǐng)域幫助用戶實(shí)現(xiàn)差異化的性能和更高的開(kāi)發(fā)效率。
STM32G4系列基于170MHz Arm Cortex-M4高速內(nèi)核打造,具有浮點(diǎn)單元和DSP擴(kuò)展指令集支持功能,性能測(cè)試成績(jī)213DMIPS和550CoreMark。之所以不采用Cortex-M33內(nèi)核,意法半導(dǎo)體微控制器事業(yè)部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理、數(shù)字電源及電機(jī)控制市場(chǎng)經(jīng)理Jean-Marc Mathieu給出的解釋是M33雖然具備更強(qiáng)的安全性,但成本會(huì)比M4更高,而且所有的內(nèi)核、總線、外設(shè)、連接都要支持Arm TrustZone架構(gòu),考慮到設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和上市時(shí)間,ST方面決定還是繼續(xù)沿用M4內(nèi)核。
意法半導(dǎo)體微控制器事業(yè)部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理、數(shù)字電源及電機(jī)控制市場(chǎng)經(jīng)理Jean-Marc Mathieu
值得一提的是,除了繼續(xù)保留此前使用過(guò)的用來(lái)提升存儲(chǔ)器-高速緩存動(dòng)態(tài)和靜態(tài)訪存性能的ART加速器和關(guān)鍵程序加速(CCM-SRAM)之外,STM32G4系列還首次引入了兩個(gè)新的硬件數(shù)學(xué)加速器:濾波算法加速器(Filter-Math Accelerator, FMAC)和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)專用引擎,計(jì)算效率相比Arm內(nèi)核高出至少3倍。例如電機(jī)控制應(yīng)用中的旋轉(zhuǎn)和矢量三角法,以及一般的對(duì)數(shù)、雙曲線和指數(shù)函數(shù)、信號(hào)調(diào)理IIR/FIR濾波算法或數(shù)字電源3p/3z控制器,以及卷積和相關(guān)函數(shù)等矢量函數(shù)。此外,這種減負(fù)方法還可以讓內(nèi)核釋放更多的資源,用于接收更多的傳感數(shù)據(jù)和控制其它用戶功能。
引入如此多加速器的目的肯定是希望提升系統(tǒng)級(jí)性能。但Jean-Marc Mathieu認(rèn)為,系統(tǒng)級(jí)性能不僅僅取決于CPU的運(yùn)算速度和指令處理效率,也和外設(shè)息息相關(guān)。因此STM32G4系列在模擬外設(shè)方面最多集成了25顆芯片,包括一個(gè)具備12個(gè)獨(dú)立通道,每個(gè)通道分辨率184ps,有溫漂和電壓漂移自補(bǔ)償功能的高分辨率定時(shí)器;5個(gè)16位分辨率,有硬件過(guò)采樣功能的400萬(wàn)次/秒12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC);6個(gè)高速、高增益帶寬運(yùn)算放大器,內(nèi)部1%增益設(shè)定可實(shí)現(xiàn);7個(gè)1500萬(wàn)次/秒12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC);以及7個(gè)傳播延遲為16.7ns的比較器。
為了使開(kāi)發(fā)人員能夠應(yīng)對(duì)最新的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn),G4系列設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的安全存儲(chǔ)區(qū)域用于存放密鑰等敏感信息,并提供AES-256加密引擎、唯一設(shè)備ID碼和硬件隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)。此外,雙Bank Flash機(jī)制也是創(chuàng)新,用戶可以在一個(gè)Bank上運(yùn)行已經(jīng)加載的應(yīng)用程序,在另一個(gè)Bank上在線加載新版本固件程序,當(dāng)升級(jí)加載完成后,只要設(shè)置一個(gè)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)瞬間切換這兩個(gè)Bank間的地址,從而實(shí)現(xiàn)在線固件升級(jí)。
運(yùn)行模式下,G4系列具備160μA/MHz的動(dòng)態(tài)能效,雖然比不上STM32低功耗產(chǎn)品線,但相對(duì)上一代STM32F3仍提升了2.7倍,且比傳統(tǒng)DSP產(chǎn)品有至少兩倍以上的提升。這在數(shù)字電源應(yīng)用場(chǎng)景中極為關(guān)鍵,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)95%甚至98%以上的轉(zhuǎn)換效率,數(shù)字器件上的能耗損失就不能被忽略。
ST將G4系列計(jì)劃的152款產(chǎn)品分為三大產(chǎn)品線:高精度PWM型STM32G474、性能型STM32G473和入門型STM32G431。STM32G474和STM32G473產(chǎn)品間唯一的區(qū)別就是有無(wú)高精度定時(shí)器。而入門級(jí)的STM32G4x1在性能方面并不低于前兩者,只是模擬外設(shè)方面會(huì)有些精簡(jiǎn)。
為了輔助應(yīng)用開(kāi)發(fā),STM32開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)新增了支持STM32G4 MCU的Nucleo開(kāi)發(fā)板、評(píng)估板和STM32CubeG4軟件包。此外,還有一套電機(jī)控制專用的開(kāi)發(fā)板和軟件開(kāi)發(fā)套件,以及專為高精度定時(shí)器的使用方法量身定做的使用手冊(cè)-AN4539,詳細(xì)介紹了高精度定時(shí)器針對(duì)不同數(shù)字電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的使用和配置方法。
助力數(shù)字化電源轉(zhuǎn)換
眾所周知,傳統(tǒng)的數(shù)字電源控制器大多采用“DSP+模擬”架構(gòu),而此番STM32G4系列采用了“MCU+DSP”架構(gòu),這是否意味著未來(lái)的數(shù)字電源控制器技術(shù)將發(fā)生重大改變?Jean-Marc Mathieu的觀點(diǎn)是,在“DSP+模擬”架構(gòu)中,用戶使用的主要是DSP廠商的私有內(nèi)核,相對(duì)比較封閉,資源都掌控在DSP廠商手中,但實(shí)際上用戶更愿意使用arm通用內(nèi)核,此為其一;其二,隨著工藝和性能的提升,目前MCU內(nèi)核所具備的DSP性能已經(jīng)不輸于傳統(tǒng)DSP器件,整體功耗表現(xiàn)可能還會(huì)更好。如果數(shù)字電源轉(zhuǎn)換效率想達(dá)到95-98%,那么設(shè)計(jì)者就不得不考慮核心控制器系統(tǒng)的能耗;其三,數(shù)字電源用戶在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),用到的產(chǎn)品不僅僅只有電源控制器,還包括人機(jī)界面等許多方面,如果還停留在傳統(tǒng)DSP的使用上,設(shè)計(jì)人員就必須為其單獨(dú)保留一套開(kāi)發(fā)環(huán)境和相應(yīng)的工程師團(tuán)隊(duì)。但如果切換到Arm生態(tài)系統(tǒng)中,就可以在所有不同項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中使用同樣的工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境和使用習(xí)慣,這點(diǎn)非常重要。
其實(shí)早在2014年,ST就發(fā)布了面向數(shù)字電源市場(chǎng)的第一款產(chǎn)品STM32F334,但Jean-Marc Mathieu說(shuō)那時(shí)ST是數(shù)字電源主控市場(chǎng)的新來(lái)者,實(shí)力還不足以撼動(dòng)已經(jīng)形成壟斷之勢(shì)的DSP產(chǎn)品。隨后的5年時(shí)間內(nèi),ST首先花費(fèi)了3年時(shí)間收集客戶反饋,接著又花費(fèi)了2年時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)新的IP,直到STM32G4的誕生。
隨著STM32G4系列的發(fā)布,STM32產(chǎn)品線實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電源市場(chǎng)高中低應(yīng)用的全覆蓋。其中STM32F334采用Cortex-M4內(nèi)核,配置HRTIMer(全功能高精度定時(shí)器)v1數(shù)字及模擬部分,精度達(dá)到217ps,主要服務(wù)低端應(yīng)用;STM32H743采用Cortex-M7內(nèi)核,計(jì)算能力更強(qiáng),配置配置HRTIMer v1僅數(shù)字部分,精度2ns,主要服務(wù)高端應(yīng)用;STM32G4系列是STM32F3的延續(xù),可以滿足中端市場(chǎng)的應(yīng)用。
意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年
但意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年強(qiáng)調(diào)稱,數(shù)字電源是一個(gè)統(tǒng)稱,不同的功率和拓?fù)鋵?duì)相關(guān)資源的需求肯定不同,因此G4系列的推出并不意味著對(duì)STMF334系列的全盤(pán)取代,只是做了相應(yīng)提升,以便覆蓋更復(fù)雜的數(shù)字電源應(yīng)用場(chǎng)景。