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(yīng)用促進(jìn)協(xié)會(huì)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(dá)600億元，預(yù)計(jì)2013年至2020年平均增長率將達(dá)到25%，2020年市場規(guī)模將達(dá)到3500億元。另一方面，智慧城市的建設(shè)也為智能家居帶來利好，預(yù)計(jì)國家在“十二五”期間用于建設(shè)智慧城市的投資規(guī)模將達(dá)5000億元，帶動(dòng)相關(guān) 產(chǎn)業(yè) 發(fā)展的市場規(guī)模預(yù)計(jì)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(lǐng)導(dǎo)權(quán)，不是要掌握智能電視、智能洗衣機(jī)、智能開關(guān)、智能插座等智能產(chǎn)品，關(guān)鍵是掌握智能家居系統(tǒng)的處理中心，無論是智能家電設(shè)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(dāng)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(yīng)用在洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、電冰箱等多種家用電器中，進(jìn)行電機(jī)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(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(yīng)用市場。但是，與此同時(shí)，隨著家電產(chǎn)品對(duì)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(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lǐng)域的低功耗包括運(yùn)行和待機(jī)功耗，相比手持設(shè)備，家電對(duì)于低功耗的要求并不是非常苛刻，其更關(guān)心的是如何在整個(gè)系統(tǒng)上實(shí)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(duì)運(yùn)行狀態(tài)的控制能力，讓變頻特性和運(yùn)行狀態(tài)更為合理而帶來的系統(tǒng)節(jié)能遠(yuǎn)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(yīng)對(duì)智能家居挑戰(zhàn)的重點(diǎn)，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(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)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(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(gè)應(yīng)用形式。如何借助硬件提高自身產(chǎn)品智能性及擁有高級(jí)的防火墻安全機(jī)制，將成為最有利的競爭優(yōu)勢。

綜合起來，智能家居市場對(duì)MCU的主要要求可以細(xì)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(yīng)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(cuò)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(shè)備中顯示界面的普及和傳感器越來越多的應(yīng)用，要求MCU具有更多的接口資源，如LCD驅(qū)動(dòng)和I/O口的驅(qū)動(dòng)，更強(qiáng)的PWM輸出能力等，甚至使得MCU逐漸向SoC靠攏。

對(duì)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(yùn)算指令和浮點(diǎn)運(yùn)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(jí)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(dá)到極致。為了解決這個(gè)問題，F(xiàn)4系列加入了ART實(shí)時(shí)加速器，通過一個(gè)預(yù)取隊(duì)列，一個(gè)分支緩存和一個(gè)智能仲裁機(jī)構(gòu)實(shí)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(shí)現(xiàn)線性的性能，程序在閃存中運(yùn)行時(shí)，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能，即達(dá)到210 DMIPS，這是 Cortex-M4 內(nèi)核在這個(gè)SPI下能夠達(dá)到的最高性能。
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圖1 性能對(duì)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(gè)主設(shè)備和8個(gè)從設(shè)備同步執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)交換。在性能提升的同時(shí)，F(xiàn)4也繼承了STM32低功耗的傳統(tǒng)優(yōu)勢，功耗效率高達(dá)230 uA/MHz。STM32 F4改進(jìn)了一些外設(shè)，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(dá)15個(gè)。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(chǔ)器資源得到巨大擴(kuò)展，讓開發(fā)人員能夠管理與豐富應(yīng)用相關(guān)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(yùn)用STM32 F4系列外存接口)或使用無ROM架構(gòu)。

對(duì)于要求聯(lián)網(wǎng)性能更強(qiáng)的應(yīng)用，STM32 F4系列最多可提供4個(gè)USART和4個(gè)UART，AD接口數(shù)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(shù)字濾波選項(xiàng)。此外，可以提供相機(jī)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(tǒng)方面，不僅STM32系列內(nèi)的各個(gè)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(qiáng)調(diào)，STM32和STM8兩個(gè)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(shè)計(jì)從8位升級(jí)到32位。另一方面，ST作為全球最大的MEMS消費(fèi)電子傳感器供應(yīng)商，MCU+傳感器的整體解決方案在消費(fèi)電子中可以給客戶從成本到設(shè)計(jì)時(shí)間上都帶來極大的節(jié)約。
 

STM32 F4系列架構(gòu)圖