STM32-F2系列微控制器 能夠滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化苛刻要求的高速Cortex-M3微控制器

工業(yè)環(huán)境正在對嵌入式控制系統開(kāi)發(fā)人員構成日益嚴峻的挑戰，究其主要原因，當前系統和通信協(xié)議棧變得越來(lái)越復雜，系統實(shí)時(shí)性和安全要求越來(lái)越嚴格，同時(shí)，這種趨勢直接影響到半導體元器件的特性和技術(shù)規格。

為克服這些挑戰，意法半導體在今年初發(fā)布了STM32-F2系列微控制器，以幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現要求苛刻的工業(yè)應用。新系列產(chǎn)品誕生于深受市場(chǎng)歡迎的STM32產(chǎn)品家族，擁有更高的性能、更大的存儲容量和針對工業(yè)應用優(yōu)化的外設。F2系列產(chǎn)品在一顆芯片上集成了多種功能，例如，控制/調整功能和復雜的通信協(xié)議棧。高集成度的優(yōu)點(diǎn)是，縮小印刷電路板空間，避免在不同的控制器之間存在易受到電磁兼容性影響的連接電路，優(yōu)化應用成本。

工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的特點(diǎn)是多個(gè)通信協(xié)議并存，實(shí)時(shí)應用需要高效的操作系統。因此，軟件棧和操作系統成為選擇微控制器的首要參數。 STM32微控制器基于受到市場(chǎng)廣泛支持的Cortex M3內核，因此，有20多家實(shí)時(shí)操作系統和通信協(xié)議提供商供用戶(hù)選擇。為使STM32微控制器更加完美，意法半導體還增加了一個(gè)兼容CMSIS的硬件抽象層和其它固件庫，例如，支持永磁同步電機(PMSM)的磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 。本文將介紹兩個(gè)第三方專(zhuān)門(mén)為STM32F-2研發(fā)的工廠(chǎng)自動(dòng)化軟件: IXXAT 開(kāi)發(fā)的支持PTP的IEEE1588協(xié)議軟件包和 PORT 開(kāi)發(fā)的Profinet通信協(xié)議棧。

與上一代產(chǎn)品STM32-F1相比，STM32-F2在很多方面加以改進(jìn)，特別是性能更加出色，外設接口更加豐富。STM32-F2采用90nm光刻技術(shù)，處理速度達到120MHz，并使運行功耗保持在合理水平(300uA/MHz)。這項光刻技術(shù)的另一個(gè)好處是集成度更高，有助于降低應用的系統級成本。

為了充分發(fā)揮Cortex-M3內核的優(yōu)異性能，意法半導體重新評估了產(chǎn)品架構。新產(chǎn)品在120MHz下釋放150DMIP的強勁性能(Dhrystone 2.1)，CoreMark™測試成績(jì)取得254高分(2.120 CoreMark/MHz 通過(guò)EEMBC 認證)， STM32F-2因而進(jìn)入Cortex-M微控制器的第一陣營(yíng)，這個(gè)成績(jì)歸功于自適應實(shí)時(shí)存儲器加速器(ART^TM)，采用這項閃存訪(fǎng)問(wèn)管理技術(shù)后，應用代碼執行不再會(huì )受閃存本身固有的等待狀態(tài)的影響。雖然閃存的速度比內核本身慢三倍，但是，在代碼執行過(guò)程中不會(huì )出現等待狀態(tài)，即便處理速度達到120MHz時(shí)也是零等待狀態(tài)。因此，新系列產(chǎn)品可大幅縮減設計尺寸，降低功耗和閃存的EMC影響，確保最高的產(chǎn)品性能。

STM32-F2的主要特性如下: 最高1MB的閃存、128kB RAM、6個(gè)UART(7.5Mbps)、3 SPI接口 (30Mbps)、支持IEE1588 PTP V2的以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器（MAC）、4kB備用RAM、512字節的一次性可編程存儲器（OTP）。

除單純的內核計算能力外，微控制器設計人員還必須考慮總線(xiàn)設計，在微控制器不同單元之間實(shí)現并行訪(fǎng)存和數據傳輸，例如，內核和通信外設需要同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)不同的存儲器。因此，主要總線(xiàn)最終被設計成一個(gè)多層AHB總線(xiàn)矩陣，最多支持6個(gè)同步數據流。

STM32-F2系列微控制器共有5個(gè)總線(xiàn)主控制器：

上圖中的黑點(diǎn)代表在這個(gè)7層總線(xiàn)結構中總線(xiàn)主控制器與從控制器的全部接口。為提高系統的能效，SRAM存儲器被分成兩個(gè)存儲區SRAM1和SRAM2，SRAM1用于保存基本協(xié)議棧和變量，而SRAM2則用作通信外設的幀緩沖區。以太網(wǎng)和USB外設都占用了幾千字節的FIFO存儲空間，而且分別擁有一個(gè)各自專(zhuān)用的DMA控制器。

除多個(gè)SRAM分區外，該系統還有兩個(gè)AHB總線(xiàn)從控制器。同樣地，這樣的配置準許不同的總線(xiàn)主控制器并行處理和同步訪(fǎng)問(wèn)不同的高速外設，例如，加密處理器和通用輸入輸出端口。AHB從控制器和DMA控制器都是雙端口，這樣設計準許在A(yíng)HB總線(xiàn)上直接連接DMA控制器與高速外設，避免在總線(xiàn)矩陣和二級高速至低速橋上因延遲而降低性能。

外部存儲器接口又稱(chēng)“靜態(tài)存儲控制器”，可直接連接不同的異步和同步存儲器、NOR/NAND閃存、SRAM、偽SRAM，甚至還能連接一個(gè)液晶顯示器控制器，外存接口總線(xiàn)頻率最高60MHz，還能通過(guò)指令總線(xiàn)(I-bus)獲取CPU內核指令。

意法半導體的自適應實(shí)時(shí)（ART）存儲器加速器（如上圖所示）可讓Cortex-M3內核釋放最高的處理性能，雖然閃存本身需要等待狀態(tài)，但是，引入這項技術(shù)后，STM32-F2以120 MHz的速度從閃存執行代碼無(wú)等待狀態(tài)。

存儲器接口是128位寬，每次可取4-8條THUMB2指令。如果執行線(xiàn)性代碼，因為預取指功能，即便閃存速度只是內核的四分之一，代碼執行也不會(huì )出現等待狀態(tài)。

然而，如果執行轉移或跳轉指令，需要立即取出轉移或跳轉目標地址的數據，這樣，存儲器的等待狀態(tài)會(huì )增加系統開(kāi)銷(xiāo)，這就是ART及其64項高速指令緩存發(fā)揮作用的地方。如果非順序指令第一次出現，這條指令將從存儲器中取出并保存在64項高速緩存的一個(gè)存儲項內。在下一次出現時(shí)，該指令將從高速緩存中直接取出，沒(méi)有等待狀態(tài)。

這個(gè)指令高速緩存還有一個(gè)LRU即最近不常用機制，因此，假如一個(gè)應用軟件的轉移指令超過(guò)64條，最近常用的新指令將取代最近不常用的指令。這個(gè)架構的優(yōu)點(diǎn)是，即便中斷服務(wù)處理程序被加速器覆蓋，這個(gè)機制仍然能夠支持各種轉移指令。

最常用的8行數據項目像高速指令緩存一樣，但是用于暫存最常用的數據庫，可以使D-bus總線(xiàn)立即充滿(mǎn)數據。

測量系統、電信設備、自動(dòng)化系統或汽車(chē)系統等分布式應用設備對精確時(shí)序機制的要求越來(lái)越高。IEEE 1588的精確時(shí)序協(xié)議（PTP）通過(guò)以太網(wǎng)使分布式設備的時(shí)序同步精度達到納秒級，從而滿(mǎn)足分布式應用系統的要求。

IXXAT自動(dòng)化技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的IEEE 1588協(xié)議軟件讓設備廠(chǎng)商能夠輕松、快速地開(kāi)發(fā)IEEE 1588兼容設備，這款軟件的源代碼采用C語(yǔ)言，可實(shí)現在任何平臺上。

為了在意法半導體的STM32-F2系列微控制器上實(shí)現IEEE 1588協(xié)議，IXXAT為STM32-F2用戶(hù)提供一個(gè)定制版協(xié)議軟件，該解決方案大幅簡(jiǎn)化并加快了協(xié)議的實(shí)現過(guò)程。STM32-F2專(zhuān)用協(xié)議軟件需要與一個(gè)有組播功能的TCP/IP協(xié)議棧配合使用，有無(wú)操作系統均可。

因為功能豐富，連續升級，占有率高，IXXAT的IEEE 1588協(xié)議軟件已成為1588協(xié)議軟件市場(chǎng)的主要參考標準。最新的1.03版IEEE 1588已支持新的IPv6標準，該標準將逐漸被新系統所采用。這個(gè)解決方案的模塊化軟件結構包含基本包和可選擴展文件，例如，用于IPv6、IEEE 802.3和Unicast的文件，讓包與專(zhuān)門(mén)應用及其資源能夠實(shí)現最佳匹配。

用戶(hù)可以動(dòng)態(tài)設置多種功能，例如，延遲機制（對等/端到端）和通信技術(shù)（IPv4, IPv6, 802.3），因此，設計人員開(kāi)發(fā)設備時(shí)無(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò )結構，用戶(hù)使用設備時(shí)無(wú)需修改固件，這樣設計可以降低研制成本，讓客戶(hù)提出更吸引人的價(jià)值主張。

STM32-F2系列微控制器在以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器MAC內整合了支持IEEE 1588 (PTP V2)的硬件，具有實(shí)現一個(gè)高精度時(shí)序同步協(xié)議所需的全部資源。我們做了一個(gè)長(cháng)時(shí)間的背對背連接同步測試， 采用了1個(gè)精確的主控制器（2ppm晶振），測試條件是0.125秒同步間隔，測試結果顯示，該平臺最大同步偏差為±70納秒，標準同步偏差大約是15納秒。在上電后，IXXAT的IEEE 1588協(xié)議軟件同步平均需要大約20個(gè)同步間隔。

在一個(gè)STM32微控制器上實(shí)現的IEEE 1588軟件，取得1個(gè)有IPv4、端到端 (E2E)和對等(P2P)延遲機制和主控制器的通用普通時(shí)鐘的典型功能，需要47KB空間保存程序代碼，7KB空間保存只讀數據，23KB空間保存讀寫(xiě)數據。

除IEEE 1588協(xié)議軟件外，IXXAT的服務(wù)還包括定制軟硬件開(kāi)發(fā)和系統設計，以及技術(shù)研討會(huì )和代碼推介會(huì )服務(wù)。STM3210C-EVAL 評估板用戶(hù)可以從下面的網(wǎng)址下載IXXAT與意法半導體合作開(kāi)發(fā)的免費版IEEE 1588軟件：http://www.ixxat.de/evaluation_kit_stm3210c_de.html.

Port公司是市場(chǎng)領(lǐng)先的CAN/CANopen、DeviceNet現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案提供商，公司加強了硬件和固件開(kāi)發(fā)能力，擴大了業(yè)務(wù)組合，加強了協(xié)議棧和POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT開(kāi)發(fā)工具產(chǎn)品組合。

PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)版PROFIBUS總線(xiàn)，而這項技術(shù)被業(yè)界公認為極其耗費資源。意法半導體與Port合作為STM32 F-2系列研發(fā)了一款只需128KB SRAM存儲容量的PROFINET軟件，讓意法半導體的微控制器步入一個(gè)新的應用領(lǐng)域。STM32 F-2與Port PROFINET組合不僅適用于工業(yè)自動(dòng)化應用，例如，工業(yè)編碼器（定位）、工業(yè)驅動(dòng)附件，而且還適用于內置以太網(wǎng)控制功能的安全系統。PROFINET的 STM32 F-2版協(xié)議棧為用戶(hù)提供符合IEC 61158和IEC 61784標準的PROFINET IO兼容通信所需的全部服務(wù)功能，幫助用戶(hù)輕松快速地開(kāi)發(fā)PROFINET IO設備。該解決方案是是通過(guò)一個(gè)硬件抽象層訪(fǎng)問(wèn)硬件，并為用戶(hù)提供能夠連接意法半導體的不同微控制器的驅動(dòng)程序，有無(wú)操作系統均可。為了快速獲得總線(xiàn)使用權限，符合PROFINET的技術(shù)規范，該解決方案對底層以太網(wǎng)驅動(dòng)軟件進(jìn)行了優(yōu)化。STM32 F-2支持PROFINET Conformance Class A，還可以支持PROFINET Realtime Class 1。為了幫助設計人員輕松快速地開(kāi)發(fā)項目，Port還提供一個(gè)PROFINET設計工具。

因為集成兩個(gè)先進(jìn)的定時(shí)器外設、3個(gè)快速數模轉換器(0.5MSps)和DMA直接訪(fǎng)存功能，STM32F2x特別適合需要1個(gè)或2個(gè)電機控制驅動(dòng)器的應用。即便驅動(dòng)兩個(gè)電機時(shí)，150DMIPS的性能讓STM32F2x有充足后備動(dòng)力驅動(dòng)其它復雜的應用任務(wù)。

STM32-F2配備STM32 PMSM FOC軟件開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現了磁場(chǎng)定向控制（FOC）驅動(dòng)3相永磁同步表面安裝電機(SM-PMSM)和內部安裝電機(I-PMSM)，最新的3.1版STM32 PMSM FOC開(kāi)發(fā)工具套件包含STM32F-2微控制器，預計2011年7月上市。

STM32 PMSM FOC開(kāi)發(fā)工具套件可用于快速評估STM32微控制器的各種應用和完整的應用平臺，當開(kāi)發(fā)在意法半導體微控制器上運行的電機控制算法時(shí)，這套開(kāi)發(fā)工具有助于縮短的應用的開(kāi)發(fā)周期。PMSM FOC固件的源代碼采用C語(yǔ)言，實(shí)現了電機控制內核算法（參考系轉換、電流調整、速度調整、空間矢量調制、能效優(yōu)化）以及傳感器檢測算法、解碼算法（3個(gè)并聯(lián)電阻、意法半導體專(zhuān)利單直流鏈路并聯(lián)電阻、隔離型電流傳感器、增量編碼器、霍爾傳感器）和轉子位置重構無(wú)傳感器算法。

為了讓大家了解STM32F-2出色的計算性能，我們做了一個(gè)性能測試。在使用兩個(gè)并聯(lián)電阻檢測電機電流的無(wú)傳感器配置中，用一個(gè)STM32F-2驅動(dòng)兩個(gè)PMSM電機，按照標準雙矢量控制性能（以10kHz運行FOC算法）測試，CPU負荷在35%的范圍內；按照高級雙矢量控制性能（以16kHz運行FOC算法）測試，CPU負荷在50%的范圍內。這些性能為STM32F-2系列微控制器在工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)啟了廣泛的應用空間。

要求嚴格的工業(yè)通信協(xié)議軟件棧顯然能夠充分利用STM32F-2系列微控制器高于同級產(chǎn)品的優(yōu)異性能。當執行高性能應用軟件和算法時(shí)，STM32F-2執行速度比上一代產(chǎn)品STM32F-1提高1倍多。

STM32-F2系列產(chǎn)品已通過(guò)客戶(hù)檢測驗證，目前正在提升產(chǎn)量。大多數固件和協(xié)議棧已經(jīng)上市，未上市的也準備今年夏季發(fā)布。STM32-F2系列產(chǎn)品的升級產(chǎn)品目前正在設計階段，新一代產(chǎn)品包括基于Cortex-M4內核的微控制器，能夠更好地支持需要數字信號處理器的應用。