高性能STM32 F4：決勝智能家居

智能家居存在廣闊市場(chǎng)空間，國際物聯(lián)網(wǎng)貿易與應用促進(jìn)協(xié)會(huì )的數據顯示，2013年，全球智能家居規模由2012年的250億美元增至330億美元。在國內，2012年，我國智能家居市場(chǎng)規模達600億元，預計2013年至2020年平均增長(cháng)率將達到25%，2020年市場(chǎng)規模將達到3500億元。另一方面，智慧城市的建設也為智能家居帶來(lái)利好，預計國家在“十二五”期間用于建設智慧城市的投資規模將達5000億元，帶動(dòng)相關(guān) 產(chǎn)業(yè) 發(fā)展的市場(chǎng)規模預計將在2萬(wàn)億元左右。

目前，互聯(lián)網(wǎng)公司、家電巨頭以及智能家居控制系統企業(yè)在智能家居行業(yè)里似乎逐漸形成了鼎立之勢。然而要獲得智能家居市場(chǎng)的領(lǐng)導權，不是要掌握智能電視、智能洗衣機、智能開(kāi)關(guān)、智能插座等智能產(chǎn)品，關(guān)鍵是掌握智能家居系統的處理中心，無(wú)論是智能家電設備的處理中心，還是智能路由與智能網(wǎng)關(guān)的處理中心，MCU都是當之無(wú)愧的首選硬件。

之所以這么說(shuō)，很重要的原因面是MCU已經(jīng)被廣泛應用在洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、電冰箱等多種家用電器中，進(jìn)行電機控制、模擬傳感器測量、前面板鍵盤(pán)控制以及在LED/LCD上顯示結果等，一些初期的智能化家電，也是采用MCU作為其主控單元進(jìn)行智能化操作的基本控制的，這些使得家用電器成為MCU最大的應用市場(chǎng)。但是，與此同時(shí)，隨著(zhù)家電產(chǎn)品對質(zhì)量和技術(shù)的要求越來(lái)越高，智能、高效、節能成為家電的發(fā)展趨勢，為滿(mǎn)足這類(lèi)高級系統設計要求，MCU也面臨著(zhù)更多更新的要求。

節能無(wú)疑是家電發(fā)展的主要方向，不過(guò)，MCU在智能家電中扮演的作用并不僅僅是降低自身能耗這么簡(jiǎn)單，更多是著(zhù)眼于降低系統能耗。家電領(lǐng)域的低功耗包括運行和待機功耗，相比手持設備，家電對于低功耗的要求并不是非?？量?，其更關(guān)心的是如何在整個(gè)系統上實(shí)現節能，而非微控制器本身的功耗，比如空調系統的節能，利用高性能MCU對運行狀態(tài)的控制能力，讓變頻特性和運行狀態(tài)更為合理而帶來(lái)的系統節能遠比MCU的低功耗更為重要。

豐富的接口資源和網(wǎng)絡(luò )特性也是MCU需要應對智能家居挑戰的重點(diǎn)，隨著(zhù)生活水平不斷提高，家電需要超越最基本的功能，我們必將看到更多更智能的家電產(chǎn)品在市場(chǎng)上涌現，豐富多樣的傳感技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的應用，是家電智能化的前提。但網(wǎng)絡(luò )連接既增加了便利性，也帶來(lái)了可能的安全隱患，同時(shí)，家電產(chǎn)品可能會(huì )引入一些操作系統，這是以往的家電所不曾有的。因此安全接入將是未來(lái)需要解決的一大問(wèn)題，智能家居說(shuō)穿了也是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)應用形式。如何借助硬件提高自身產(chǎn)品智能性及擁有高級的防火墻安全機制，將成為最有利的競爭優(yōu)勢。

綜合起來(lái)，智能家居市場(chǎng)對MCU的主要要求可以細化為，更高處理能力的需求只有32位高性能才能滿(mǎn)足，更多的應用范圍和更簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)環(huán)境需要龐大的生態(tài)系統支持，系統的安全性、可靠性和容錯能力必須非常好才能保證智能家居的使用安全可靠，此外，隨著(zhù)家居設備中顯示界面的普及和傳感器越來(lái)越多的應用，要求MCU具有更多的接口資源，如LCD驅動(dòng)和I/O口的驅動(dòng)，更強的PWM輸出能力等，甚至使得MCU逐漸向SoC靠攏。

對比上面的這些技術(shù)需求，STM32 F4系列是非常具有競爭力的選擇，首先從性能上看，STM32 F4采用了168 MHz Cortex-M4內核，其內置單周期的DSP乘加指令，具有優(yōu)化的SIMD算術(shù)指令、飽和運算指令和浮點(diǎn)運算單元（FPU），這讓F4從性能上能夠做到32位MCU的極致。ST微控制器大中華區高級市場(chǎng)經(jīng)理曹錦東介紹，同類(lèi)產(chǎn)品要么受限于最大主頻，要么受限于閃存速度，而STM32 F4的閃存速度和主頻范圍都達到極致。為了解決這個(gè)問(wèn)題，F4系列加入了ART實(shí)時(shí)加速器，通過(guò)一個(gè)預取隊列，一個(gè)分支緩存和一個(gè)智能仲裁機構實(shí)現加速，使Cortex-M4擺脫受限的閃存速度，充分發(fā)揮核心潛能?？梢栽?68 MHz的主頻范圍內實(shí)現線(xiàn)性的性能，程序在閃存中運行時(shí)，可以達到相當于零等待周期的性能，即達到210 DMIPS，這是 Cortex-M4 內核在這個(gè)SPI下能夠達到的最高性能。
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圖1 性能對比圖

此外，曹錦東還特別提到，STM32 F4具有32位、7層AHB總線(xiàn)矩陣，可以讓7個(gè)主設備和8個(gè)從設備同步執行程序和數據交換。在性能提升的同時(shí)，F4也繼承了STM32低功耗的傳統優(yōu)勢，功耗效率高達230 uA/MHz。STM32 F4改進(jìn)了一些外設，如全雙工I2S、小于1 uA的RTC以及2.44 MHz/s采樣率的ADC, STM32 F4的通信接口高達15個(gè)。STM32 F4產(chǎn)品最高可擁有2MB片上閃存，較市場(chǎng)其他Cortex-M4微控制器，片上集成存儲器資源得到巨大擴展，讓開(kāi)發(fā)人員能夠管理與豐富應用相關(guān)的大量代碼和數據，而無(wú)需增加昂貴的外部閃存和SRAM(運用STM32 F4系列外存接口)或使用無(wú)ROM架構。

對于要求聯(lián)網(wǎng)性能更強的應用，STM32 F4系列最多可提供4個(gè)USART和4個(gè)UART，AD接口數量最多也可以有6個(gè)，3個(gè)42Mbit/s的SPI、3個(gè)I2C、2個(gè)CAN、1個(gè)SDIO，為提高通信可靠性，3個(gè)I2C接口增加數字濾波選項。此外，可以提供相機接口、加密/哈希硬件處理器、支持IEEE 1588 v2 10/100M以太網(wǎng)接口、2個(gè)USB OTG（其中1個(gè)支持高速模式）。

在生態(tài)系統方面，不僅STM32系列內的各個(gè)產(chǎn)品可以做到管腳兼容和生態(tài)系統兼容，曹錦東還特別強調，STM32和STM8兩個(gè)系列之間的部分開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具也是相互兼容的，這就讓那些原有STM8的家電用戶(hù)可以很快速的將產(chǎn)品設計從8位升級到32位。另一方面，ST作為全球最大的MEMS消費電子傳感器供應商，MCU+傳感器的整體解決方案在消費電子中可以給客戶(hù)從成本到設計時(shí)間上都帶來(lái)極大的節約。
 

STM32 F4系列架構圖