Cortex-M4之STM32F4介紹 應用前景

在中國“三網(wǎng)融合”大勢所趨之下，未來(lái)幾年，中國數字電視、電子游戲機等數字消費電子產(chǎn)品和高端家用電器市場(chǎng)需求旺盛，再加之工業(yè)領(lǐng)域持續的強勁增長(cháng)，將極大拉動(dòng)市場(chǎng)對16、32位高端MCU的需求。繼Freescale、NXP陸續推出基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的微控制器產(chǎn)品之后，ST日前又點(diǎn)燃了“一把熊熊烈火”，把本已混戰不堪的32位MCU市場(chǎng)攪得更加火熱。

　　史上最強M4微處理器如何打造?

　　ARM嵌入式應用市場(chǎng)經(jīng)理羅霖此前在接受本刊采訪(fǎng)時(shí)就曾表示，現在MCU產(chǎn)品需求和市場(chǎng)挑戰，首先在于市場(chǎng)需要具備更高性能的低功耗產(chǎn)品，具備增強的連接性(例如接入USB, 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的模擬設備。其次，在無(wú)線(xiàn)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(zhù)設計出的產(chǎn)品性能越來(lái)越復雜，對于內存和頻率的要求也會(huì )變得更高，面對這些挑戰，8/16位MCU已顯得力不從心。

　　低功耗和高性能始終是一對矛盾體，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供應商所面臨的技術(shù)挑戰。日前，一條來(lái)自意法半導體的新聞引起業(yè)界眾多關(guān)注——該公司推出了號稱(chēng)“迄今為止，全球性能最強的基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的微控制器STM32 F4”，并將應用目標鎖定在數據交換及通信設備、醫療保健、安防監控、消費電子、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(chǎng)部總監Daniel Colonna表示，STM32 F4系列引起市場(chǎng)關(guān)注有多方面的原因，其中最直接的原因為該系列是迄今性能最高的Cortex-M微控制器，且已全面量產(chǎn)。他同時(shí)還隱約批評了某些競爭對手，認為他們“只會(huì )大張旗鼓的宣傳，卻始終無(wú)法將M4產(chǎn)品成功量產(chǎn)。”

　　Cortex-M4處理器是由ARM專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的最新嵌入式處理器，用以滿(mǎn)足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數字信號控制市場(chǎng)。高效的信號處理功能與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(mǎn)足專(zhuān)門(mén)面向電動(dòng)機控制、汽車(chē)、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的新興類(lèi)別的靈活解決方案。

　　ST方面稱(chēng)，公司正在利用新的STM32 F4系列進(jìn)一步拓寬應用范圍。STM32 F4的單周期DSP指令將會(huì )催生數字信號控制器(DSC)市場(chǎng)，數字信號控制器適用于高端電機控制、醫療設備和安全系統等應用，這些應用在計算能力和DSP指令方面有很高的要求。

　　STM32 F4實(shí)時(shí)處理能力

　　據悉，除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F4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，F2為128 KB)、512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網(wǎng)絡(luò )接口和數據加密等更先進(jìn)的外設。Daniel Colonna稱(chēng)，ST 90nm 運行性能(168MHz)和最佳動(dòng)態(tài)功耗(在外設禁用時(shí)，從閃存執行Coremark評估代碼，電流消耗38.6mA，處理頻率168MHz)。

　　德州儀器：更看重性?xún)r(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(guò)收購Luminary進(jìn)入Cortext M陣營(yíng)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微控制器平臺業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Jean Anne Booth對媒體說(shuō)，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)現更高的速度、更大的內存甚至更低的功耗鋪平了道路。”

　　來(lái)自TI的消息說(shuō)，Stellaris配備256KB閃存和32KB SRAM，其ARM Cortex-M4F浮點(diǎn)內核工作頻率最高可達80 MHz，待機電流最低至1.6 μA;兩個(gè)高性能12位模數轉換器(ADC)和三個(gè)比較器可支持混合信號應用。其中，12位ADC準確度可在1 MSPS全采樣速率下實(shí)現，不需要任何的硬件平均，從而免除了所有的性能折衷;連接選項方面，包括USB(主機、設備和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(hù)接口或配置參數的耐用型非易失性存儲，以降低系統成本。

　　同時(shí)，為簡(jiǎn)化設計加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，TI還將免費的StellarisWare軟件預先裝入ROM以節省閃存空間，用戶(hù)也可自行通過(guò)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)間內跨越式啟動(dòng)設計。開(kāi)發(fā)人員能夠輕松地調整設計，并在具有代碼兼容性的整個(gè) Stellaris Cortex-M 微控制器平臺上實(shí)現代碼復用。

　　Jean Anne Booth強調說(shuō)，TI絕非不能設計出全球性能最佳的微處理器產(chǎn)品。但從TI走訪(fǎng)大量客戶(hù)獲得的反饋卻顯示，80MHz主頻反而是性?xún)r(jià)比最好的一個(gè)平衡點(diǎn)。她進(jìn)一步解釋稱(chēng)，80MHz并帶有帶浮點(diǎn)運算功能，這已經(jīng)要比現在的M3產(chǎn)品性能高很多;其次，價(jià)格是個(gè)很重要的問(wèn)題，客戶(hù)不會(huì )不考慮;最后，擺在眼前的功耗問(wèn)題也需要客戶(hù)“三思而后行”。因此，綜合以上種種因素，TI最終將著(zhù)眼點(diǎn)放在80MHz的Cortex-M4F上，認為這將給客戶(hù)帶來(lái)“性?xún)r(jià)比最高”的產(chǎn)品。

　　飛思卡爾：Kinetis K50保證至少15年穩定供應

　　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(huà)，“飛思卡爾的K50微控制器系列內置ARM Cortex M4內核，為連續監測提供多種連接選項，并為便攜式醫療設備、儀器儀表和工業(yè)測試和測量設備等應用領(lǐng)域的可靠模擬信號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(cháng)期供貨計劃，保證至少15年的穩定供應。”

　　這似乎是飛思卡爾對業(yè)界某些傳聞“最無(wú)聲，但卻最有力”的抗議。2010年6月，飛思卡爾正式推出基于A(yíng)RM Cortex-M4處理器的90nm 32位MCU Kinetis系列，并計劃于2011年全面供貨。該系列采用了飛思卡爾90nm薄膜存儲器(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(hù)能夠輕松地為其最終應用選擇最佳解決方案。

　　從M0到M4，隨著(zhù)半導體廠(chǎng)商紛紛加入ARM陣營(yíng)，這是否意味著(zhù)MCU市場(chǎng)的專(zhuān)用架構時(shí)代正在過(guò)去，一個(gè)通用的Cortext M內核的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)?這又是否符合嵌入式市場(chǎng)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架構圖

Cortex-M4處理器內集成了單循環(huán)乘法累計(MAC)單元、優(yōu)化的單指令多數據(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、負責中斷處理的嵌套中斷向量控制器，此外還可以選擇內存保護單元(MPU)、低成本診斷和追蹤、完整休眠狀態(tài)。