STM32-F2系列微控制器 能夠滿足工廠自動化苛刻要求的高速Cortex-M3微控制器

工業(yè)環(huán)境正在對嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)人員構(gòu)成日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，究其主要原因，當(dāng)前系統(tǒng)和通信協(xié)議棧變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)實時性和安全要求越來越嚴(yán)格，同時，這種趨勢直接影響到半導(dǎo)體元器件的特性和技術(shù)規(guī)格。

為克服這些挑戰(zhàn)，意法半導(dǎo)體在今年初發(fā)布了STM32-F2系列微控制器，以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用。新系列產(chǎn)品誕生于深受市場歡迎的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(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)。F2系列產(chǎn)品在一顆芯片上集成了多種功能，例如，控制/調(diào)整功能和復(fù)雜的通信協(xié)議棧。高集成度的優(yōu)點是，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(yīng)用成本。

工業(yè)自動化市場的特點是多個通信協(xié)議并存，實時應(yīng)用需要高效的操作系統(tǒng)。因此，軟件棧和操作系統(tǒng)成為選擇微控制器的首要參數(shù)。 STM32微控制器基于受到市場廣泛支持的Cortex M3內(nèi)核，因此，有20多家實時操作系統(tǒng)和通信協(xié)議提供商供用戶選擇。為使STM32微控制器更加完美，意法半導(dǎo)體還增加了一個兼容CMSIS的硬件抽象層和其它固件庫，例如，支持永磁同步電機(jī)(PMSM)的磁場定向控制 (FOC) 。本文將介紹兩個第三方專門為STM32F-2研發(fā)的工廠自動化軟件: IXXAT 開發(fā)的支持PTP的IEEE1588協(xié)議軟件包和 PORT 開發(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(shè)接口更加豐富。STM32-F2采用90nm光刻技術(shù)，處理速度達(dá)到120MHz，并使運(yùn)行功耗保持在合理水平(300uA/MHz)。這項光刻技術(shù)的另一個好處是集成度更高，有助于降低應(yīng)用的系統(tǒng)級成本。

為了充分發(fā)揮Cortex-M3內(nèi)核的優(yōu)異性能，意法半導(dǎo)體重新評估了產(chǎn)品架構(gòu)。新產(chǎn)品在120MHz下釋放150DMIP的強(qiáng)勁性能(Dhrystone 2.1)，CoreMark™測試成績?nèi)〉?54高分(2.120 CoreMark/MHz 通過EEMBC 認(rèn)證)， STM32F-2因而進(jìn)入Cortex-M微控制器的第一陣營，這個成績歸功于自適應(yīng)實時存儲器加速器(ART^TM)，采用這項閃存訪問管理技術(shù)后，應(yīng)用代碼執(zhí)行不再會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(nèi)核本身慢三倍，但是，在代碼執(zhí)行過程中不會出現(xiàn)等待狀態(tài)，即便處理速度達(dá)到120MHz時也是零等待狀態(tài)。因此，新系列產(chǎn)品可大幅縮減設(shè)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UART(7.5Mbps)、3 SPI接口 (30Mbps)、支持IEE1588 PTP V2的以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、4kB備用RAM、512字節(jié)的一次性可編程存儲器（OTP）。

除單純的內(nèi)核計算能力外，微控制器設(shè)計人員還必須考慮總線設(shè)計，在微控制器不同單元之間實現(xiàn)并行訪存和數(shù)據(jù)傳輸，例如，內(nèi)核和通信外設(shè)需要同時訪問不同的存儲器。因此，主要總線最終被設(shè)計成一個多層AHB總線矩陣，最多支持6個同步數(shù)據(jù)流。

STM32-F2系列微控制器共有5個總線主控制器：

上圖中的黑點代表在這個7層總線結(jié)構(gòu)中總線主控制器與從控制器的全部接口。為提高系統(tǒng)的能效，SRAM存儲器被分成兩個存儲區(qū)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(shè)的幀緩沖區(qū)。以太網(wǎng)和USB外設(shè)都占用了幾千字節(jié)的FIFO存儲空間，而且分別擁有一個各自專用的DMA控制器。

除多個SRAM分區(qū)外，該系統(tǒng)還有兩個AHB總線從控制器。同樣地，這樣的配置準(zhǔn)許不同的總線主控制器并行處理和同步訪問不同的高速外設(shè)，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(shè)計準(zhǔn)許在AHB總線上直接連接DMA控制器與高速外設(shè)，避免在總線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“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，甚至還能連接一個液晶顯示器控制器，外存接口總線頻率最高60MHz，還能通過指令總線(I-bus)獲取CPU內(nèi)核指令。

意法半導(dǎo)體的自適應(yīng)實時（ART）存儲器加速器（如上圖所示）可讓Cortex-M3內(nèi)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(zhí)行代碼無等待狀態(tài)。

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

然而，如果執(zhí)行轉(zhuǎn)移或跳轉(zhuǎn)指令，需要立即取出轉(zhuǎn)移或跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)，這樣，存儲器的等待狀態(tài)會增加系統(tǒng)開銷，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(xiàn)，這條指令將從存儲器中取出并保存在64項高速緩存的一個存儲項內(nèi)。在下一次出現(xiàn)時，該指令將從高速緩存中直接取出，沒有等待狀態(tài)。

這個指令高速緩存還有一個LRU即最近不常用機(jī)制，因此，假如一個應(yīng)用軟件的轉(zhuǎn)移指令超過64條，最近常用的新指令將取代最近不常用的指令。這個架構(gòu)的優(yōu)點是，即便中斷服務(wù)處理程序被加速器覆蓋，這個機(jī)制仍然能夠支持各種轉(zhuǎn)移指令。

最常用的8行數(shù)據(jù)項目像高速指令緩存一樣，但是用于暫存最常用的數(shù)據(jù)庫，可以使D-bus總線立即充滿數(shù)據(jù)。

測量系統(tǒng)、電信設(shè)備、自動化系統(tǒng)或汽車系統(tǒng)等分布式應(yīng)用設(shè)備對精確時序機(jī)制的要求越來越高。IEEE 1588的精確時序協(xié)議（PTP）通過以太網(wǎng)使分布式設(shè)備的時序同步精度達(dá)到納秒級，從而滿足分布式應(yīng)用系統(tǒng)的要求。

IXXAT自動化技術(shù)有限公司開發(fā)的IEEE 1588協(xié)議軟件讓設(shè)備廠商能夠輕松、快速地開發(fā)IEEE 1588兼容設(shè)備，這款軟件的源代碼采用C語言，可實現(xiàn)在任何平臺上。

為了在意法半導(dǎo)體的STM32-F2系列微控制器上實現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議，IXXAT為STM32-F2用戶提供一個定制版協(xié)議軟件，該解決方案大幅簡化并加快了協(xié)議的實現(xiàn)過程。STM32-F2專用協(xié)議軟件需要與一個有組播功能的TCP/IP協(xié)議棧配合使用，有無操作系統(tǒng)均可。

因為功能豐富，連續(xù)升級，占有率高，IXXAT的IEEE 1588協(xié)議軟件已成為1588協(xié)議軟件市場的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。最新的1.03版IEEE 1588已支持新的IPv6標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將逐漸被新系統(tǒng)所采用。這個解決方案的模塊化軟件結(jié)構(gòu)包含基本包和可選擴(kuò)展文件，例如，用于IPv6、IEEE 802.3和Unicast的文件，讓包與專門應(yīng)用及其資源能夠?qū)崿F(xiàn)最佳匹配。

用戶可以動態(tài)設(shè)置多種功能，例如，延遲機(jī)制（對等/端到端）和通信技術(shù)（IPv4, IPv6, 802.3），因此，設(shè)計人員開發(fā)設(shè)備時無需考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用戶使用設(shè)備時無需修改固件，這樣設(shè)計可以降低研制成本，讓客戶提出更吸引人的價值主張。

STM32-F2系列微控制器在以太網(wǎng)媒體訪問控制器MAC內(nèi)整合了支持IEEE 1588 (PTP V2)的硬件，具有實現(xiàn)一個高精度時序同步協(xié)議所需的全部資源。我們做了一個長時間的背對背連接同步測試， 采用了1個精確的主控制器（2ppm晶振），測試條件是0.125秒同步間隔，測試結(jié)果顯示，該平臺最大同步偏差為±70納秒，標(biāo)準(zhǔn)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個同步間隔。

在一個STM32微控制器上實現(xiàn)的IEEE 1588軟件，取得1個有IPv4、端到端 (E2E)和對等(P2P)延遲機(jī)制和主控制器的通用普通時鐘的典型功能，需要47KB空間保存程序代碼，7KB空間保存只讀數(shù)據(jù)，23KB空間保存讀寫數(shù)據(jù)。

除IEEE 1588協(xié)議軟件外，IXXAT的服務(wù)還包括定制軟硬件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計，以及技術(shù)研討會和代碼推介會服務(wù)。STM3210C-EVAL 評估板用戶可以從下面的網(wǎng)址下載IXXAT與意法半導(dǎo)體合作開發(fā)的免費(fèi)版IEEE 1588軟件：http://www.ixxat.de/evaluation_kit_stm3210c_de.html.

Port公司是市場領(lǐng)先的CAN/CANopen、DeviceNet現(xiàn)場總線解決方案提供商，公司加強(qiáng)了硬件和固件開發(fā)能力，擴(kuò)大了業(yè)務(wù)組合，加強(qiáng)了協(xié)議棧和POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT開發(fā)工具產(chǎn)品組合。

PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)版PROFIBUS總線，而這項技術(shù)被業(yè)界公認(rèn)為極其耗費(fèi)資源。意法半導(dǎo)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(dǎo)體的微控制器步入一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。STM32 F-2與Port PROFINET組合不僅適用于工業(yè)自動化應(yīng)用，例如，工業(yè)編碼器（定位）、工業(yè)驅(qū)動附件，而且還適用于內(nèi)置以太網(wǎng)控制功能的安全系統(tǒng)。PROFINET的 STM32 F-2版協(xié)議棧為用戶提供符合IEC 61158和IEC 61784標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET IO兼容通信所需的全部服務(wù)功能，幫助用戶輕松快速地開發(fā)PROFINET IO設(shè)備。該解決方案是是通過一個硬件抽象層訪問硬件，并為用戶提供能夠連接意法半導(dǎo)體的不同微控制器的驅(qū)動程序，有無操作系統(tǒng)均可。為了快速獲得總線使用權(quán)限，符合PROFINET的技術(shù)規(guī)范，該解決方案對底層以太網(wǎng)驅(qū)動軟件進(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(shè)計人員輕松快速地開發(fā)項目，Port還提供一個PROFINET設(shè)計工具。

因為集成兩個先進(jìn)的定時器外設(shè)、3個快速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(0.5MSps)和DMA直接訪存功能，STM32F2x特別適合需要1個或2個電機(jī)控制驅(qū)動器的應(yīng)用。即便驅(qū)動兩個電機(jī)時，150DMIPS的性能讓STM32F2x有充足后備動力驅(qū)動其它復(fù)雜的應(yīng)用任務(wù)。

STM32-F2配備STM32 PMSM FOC軟件開發(fā)工具，實現(xiàn)了磁場定向控制（FOC）驅(qū)動3相永磁同步表面安裝電機(jī)(SM-PMSM)和內(nèi)部安裝電機(jī)(I-PMSM)，最新的3.1版STM32 PMSM FOC開發(fā)工具套件包含STM32F-2微控制器，預(yù)計2011年7月上市。

STM32 PMSM FOC開發(fā)工具套件可用于快速評估STM32微控制器的各種應(yīng)用和完整的應(yīng)用平臺，當(dāng)開發(fā)在意法半導(dǎo)體微控制器上運(yùn)行的電機(jī)控制算法時，這套開發(fā)工具有助于縮短的應(yīng)用的開發(fā)周期。PMSM FOC固件的源代碼采用C語言，實現(xiàn)了電機(jī)控制內(nèi)核算法（參考系轉(zhuǎn)換、電流調(diào)整、速度調(diào)整、空間矢量調(diào)制、能效優(yōu)化）以及傳感器檢測算法、解碼算法（3個并聯(lián)電阻、意法半導(dǎo)體專利單直流鏈路并聯(lián)電阻、隔離型電流傳感器、增量編碼器、霍爾傳感器）和轉(zhuǎn)子位置重構(gòu)無傳感器算法。

為了讓大家了解STM32F-2出色的計算性能，我們做了一個性能測試。在使用兩個并聯(lián)電阻檢測電機(jī)電流的無傳感器配置中，用一個STM32F-2驅(qū)動兩個PMSM電機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)雙矢量控制性能（以10kHz運(yùn)行FOC算法）測試，CPU負(fù)荷在35%的范圍內(nèi)；按照高級雙矢量控制性能（以16kHz運(yùn)行FOC算法）測試，CPU負(fù)荷在50%的范圍內(nèi)。這些性能為STM32F-2系列微控制器在工廠自動化領(lǐng)域開啟了廣泛的應(yīng)用空間。

要求嚴(yán)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(dāng)執(zhí)行高性能應(yīng)用軟件和算法時，STM32F-2執(zhí)行速度比上一代產(chǎn)品STM32F-1提高1倍多。

STM32-F2系列產(chǎn)品已通過客戶檢測驗證，目前正在提升產(chǎn)量。大多數(shù)固件和協(xié)議棧已經(jīng)上市，未上市的也準(zhǔn)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(shè)計階段，新一代產(chǎn)品包括基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器，能夠更好地支持需要數(shù)字信號處理器的應(yīng)用。