高性能STM32 F4：決勝智能家居

智能家居存在廣闊市場空間，國際物聯(lián)網(wǎng)貿(mào)易與應用促進協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2013年，全球智能家居規(guī)模由2012年的250億美元增至330億美元。在國內(nèi)，2012年，我國智能家居市場規(guī)模達600億元，預計2013年至2020年平均增長率將達到25%，2020年市場規(guī)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利好，預計國家在“十二五”期間用于建設智慧城市的投資規(guī)模將達5000億元，帶動相關 產(chǎn)業(yè) 發(fā)展的市場規(guī)模預計將在2萬億元左右。

目前，互聯(lián)網(wǎng)公司、家電巨頭以及智能家居控制系統(tǒng)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的領導權(quán)，不是要掌握智能電視、智能洗衣機、智能開關、智能插座等智能產(chǎn)品，關鍵是掌握智能家居系統(tǒng)的處理中心，無論是智能家電設備的處理中心，還是智能路由與智能網(wǎng)關的處理中心，MCU都是當之無愧的首選硬件。

之所以這么說，很重要的原因面是MCU已經(jīng)被廣泛應用在洗衣機、空調(diào)、微波爐、吸塵器、電冰箱等多種家用電器中，進行電機控制、模擬傳感器測量、前面板鍵盤控制以及在LED/LCD上顯示結(jié)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。但是，與此同時，隨著家電產(chǎn)品對質(zhì)量和技術(shù)的要求越來越高，智能、高效、節(jié)能成為家電的發(fā)展趨勢，為滿足這類高級系統(tǒng)設計要求，MCU也面臨著更多更新的要求。

節(jié)能無疑是家電發(fā)展的主要方向，不過，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單，更多是著眼于降低系統(tǒng)能耗。家電領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?？量蹋涓P心的是如何在整個系統(tǒng)上實現(xiàn)節(jié)能，而非微控制器本身的功耗，比如空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)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)更為合理而帶來的系統(tǒng)節(jié)能遠比MCU的低功耗更為重要。

豐富的接口資源和網(wǎng)絡特性也是MCU需要應對智能家居挑戰(zhàn)的重點，隨著生活水平不斷提高，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)品在市場上涌現(xiàn)，豐富多樣的傳感技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等關鍵技術(shù)的應用，是家電智能化的前提。但網(wǎng)絡連接既增加了便利性，也帶來了可能的安全隱患，同時，家電產(chǎn)品可能會引入一些操作系統(tǒng)，這是以往的家電所不曾有的。因此安全接入將是未來需要解決的一大問題，智能家居說穿了也是物聯(lián)網(wǎng)的一個應用形式。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，智能家居市場對MCU的主要要求可以細化為，更高處理能力的需求只有32位高性能才能滿足，更多的應用范圍和更簡單的開發(fā)環(huán)境需要龐大的生態(tài)系統(tǒng)支持，系統(tǒng)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，隨著家居設備中顯示界面的普及和傳感器越來越多的應用，要求MCU具有更多的接口資源，如LCD驅(qū)動和I/O口的驅(qū)動，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(nèi)核，其內(nèi)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(qū)高級市場經(jīng)理曹錦東介紹，同類產(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。為了解決這個問題，F(xiàn)4系列加入了ART實時加速器，通過一個預取隊列，一個分支緩存和一個智能仲裁機構(gòu)實現(xiàn)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(nèi)實現(xiàn)線性的性能，程序在閃存中運行時，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(nèi)核在這個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總線矩陣，可以讓7個主設備和8個從設備同步執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)交換。在性能提升的同時，F(xiàn)4也繼承了STM32低功耗的傳統(tǒng)優(yōu)勢，功耗效率高達230 uA/MHz。STM32 F4改進了一些外設，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。STM32 F4產(chǎn)品最高可擁有2MB片上閃存，較市場其他Cortex-M4微控制器，片上集成存儲器資源得到巨大擴展，讓開發(fā)人員能夠管理與豐富應用相關的大量代碼和數(shù)據(jù)，而無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ROM架構(gòu)。

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USART和4個UART，AD接口數(shù)量最多也可以有6個，3個42Mbit/s的SPI、3個I2C、2個CAN、1個SDIO，為提高通信可靠性，3個I2C接口增加數(shù)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USB OTG（其中1個支持高速模式）。

在生態(tài)系統(tǒng)方面，不僅STM32系列內(nèi)的各個產(chǎn)品可以做到管腳兼容和生態(tài)系統(tǒng)兼容，曹錦東還特別強調(diào)，STM32和STM8兩個系列之間的部分開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具也是相互兼容的，這就讓那些原有STM8的家電用戶可以很快速的將產(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從成本到設計時間上都帶來極大的節(jié)約。
 

STM32 F4系列架構(gòu)圖