剖析最為復(fù)雜的低功耗MCU STM32U5

????????2021年3月，意法半導(dǎo)體（ST）宣布推出STM32U5，9月STM32U5首批型號正式量產(chǎn)，這也意味著ST誕生了首款同時達到PSA 3級和SESIP 3安全認證的超低功耗微控制器。

ST中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東表示，STM32低功耗系列產(chǎn)品從STM32L5到STM32U5，雖然內(nèi)核一樣，都采用了Arm v8架構(gòu)的Cortex-M33，但是其工藝、電路設(shè)計等方面都做了巨大革新，并且采用了全新40nm技術(shù)平臺，這也是未來ST低功耗MCU技術(shù)的重要支撐平臺。

歷史上，超低功耗產(chǎn)品線一直以來都是STM32的戰(zhàn)略性產(chǎn)品線。自2007年ST發(fā)布第一款基于Cortex-M內(nèi)核的通用單片機之后，2009年，ST就將Cortex-M系列單片機擴展到了超低功耗領(lǐng)域。

ST部門副總裁、微控制器事業(yè)部總經(jīng)理Ricardo de Sa Earp則在聲明中指出：“在過去的五年中，ST微控制器全球份額幾乎翻了一倍，STM32超低功耗微控制器出貨量迄今超過20億。ST憑借豐富的低功耗技術(shù)儲備和對低功耗市場的專注，讓我們在超低功耗微控制器類別具有很強的優(yōu)勢，并占有約25%的市場份額?！?/p>

ST中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年介紹道：“STM32U5可應(yīng)用于工業(yè)智能流量計、健康及健身類穿戴產(chǎn)品、醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備、POS支付終端等對于功耗和安全性同時有高要求的場景。”

曹錦東透露，從歐洲總部拿到的STM32U5產(chǎn)品介紹PPT就有接近60頁，具有大量獨到的創(chuàng)新性。而從ST官方給出的遷移指南，STM32L4（+）到STM32L5為54頁，STM32L5至STM32U5則為98頁，足足多了一倍，也證明STM32U5具有的跨時代性的變革。而據(jù)STM32設(shè)計總監(jiān)Patrick Aidoune介紹，該產(chǎn)品總計涉及到的設(shè)計者超過了300名。

那么此次推出的STM32U5，作為U系列平臺的首款產(chǎn)品，究竟實現(xiàn)了哪些新特性？就讓曹錦東與彭祖年帶工程師們逐一解讀。

低功耗與高性能的統(tǒng)一

首先直接給出EEMBC ULPMark的評分，涵蓋了不同模式下的功耗分析，STM32也是目前唯一公布全部4項分數(shù)的品牌，也證明了其對于全場景低功耗的信心。彭祖年表示，客戶有不同的應(yīng)用場景，有些是高負載工作，有些則是長待機應(yīng)用，因此單純的對比μA/MHz并不能適用于每個客戶。通過提供不同工作場景的打分，客戶可以更好地進行參考。

除了采用更先進40nm工藝并同時改善了漏電流和動態(tài)電流之外，STM32U5改善了功耗管理模式，增加了低功耗后臺自主模式（LPBAM，Low Power Background Autonomous Mode），和一些可以在低功耗下運行的外設(shè)和功能。

STM32U5中有16kB SRAM作為低功耗后臺的自主模式的存儲空間，可以在CPU休眠的情況下，將I2C、SPI、串口、ADC等外設(shè)數(shù)據(jù)通過LPDMA傳送至其中，然后當數(shù)據(jù)累積到一定數(shù)量時再喚醒CPU進行一次性批處理。通過避免頻繁喚醒CPU，從而達到節(jié)省功耗的目的。根據(jù)ST測試經(jīng)典數(shù)據(jù)采集及喚醒處理的模型，可以將CPU喚醒的次數(shù)變成原來的1/10。

其次，則是集成了高頻率的DC/DC以及LDO，通過集成高頻率DC/DC，可減少VDD至內(nèi)核供電的轉(zhuǎn)換損耗，實現(xiàn)最優(yōu)化的動態(tài)功耗和最快速的動態(tài)響應(yīng)。而通過LDO，則可解決DC/DC啟動時間較慢的弊端。

第三，則是類似LPRAM，提供分區(qū)的FLASH和SRAM，用戶可以根據(jù)應(yīng)用場景，將不常用的Flash關(guān)閉并按需開啟，又或者通過降低FLASH讀取速度降低功耗。

除了低功耗之外，高性能也是STM32U5的一大特色。高達160MHz的處理器，使得STM32U5系列已經(jīng)達到了240DMIPS和651Coremark的性能評分，而同樣采用Cortex-M33內(nèi)核的上一代STM32L5主頻為110MHz。

同時，為了進一步增強性能，STM32U5還集成了FMAC和Cordic數(shù)學(xué)運算加速器；用于優(yōu)化內(nèi)、外部存儲上指令與數(shù)據(jù)吞吐Cache的Art加速器（8 kB指令Cache，4kB數(shù)據(jù)Cache）以及用于資源受限情況下的2.5D圖形加速器Chrom-Art。

更多的功能安全和信息安全

“Cortex-M33是Arm v8架構(gòu)專門為高數(shù)據(jù)安全應(yīng)用所開發(fā)的，加入了TrustZone技術(shù)，就是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的高安全應(yīng)用，但實際上我們看到目前MCU還沒有做到足夠的安全性?！辈苠\東說道。

也正是如此，STM32U5在L5的基礎(chǔ)上，額外增加了更多的安全功能，以確保物聯(lián)網(wǎng)的安全性。

“單單內(nèi)核的隔離或TrustZone的支持顯然是不夠的。”彭祖年表示。因此，除了內(nèi)核隔離之外，STM32針對產(chǎn)品內(nèi)部的存儲、總線以及外設(shè)都做了隔離配置的設(shè)計。

此外，STM32U5還增加了更多的安全加密的功能，以及全程可控的多層保護狀態(tài)機。存儲保護則特別針對內(nèi)部存儲防篡改，增加了OTP空間，以及主動式防侵犯的active tampering的設(shè)計。

PSA Level3需要同時可以防止軟件和硬件兩方面的攻擊，因此STM32U5特別增加了防止邊界攻擊的AES模塊。

彭祖年表示，Arm針對PSA Level3認證的要求，需要芯片在安全的框架下還需要一個非可變的信任根，有了信任根，STM32U5上所支持的安全啟動才能基于這個安全的根基發(fā)揮功能。針對這樣的安全啟動特性，ST提供了相關(guān)的參考代碼，可以幫助用戶實現(xiàn)相關(guān)的安全啟動以及安全的固件加載和安全的固件更新。

如果需要用到TF-M （Trusted Firmware for Cortex-M）架構(gòu)，除了針對TrustZone可以把內(nèi)部的服務(wù)和軟件區(qū)分成可信區(qū)和非可信區(qū)之外，同時也可以在軟件權(quán)限上設(shè)置管理員權(quán)限和用戶權(quán)限。在管理權(quán)限下，可信區(qū)內(nèi)也有PSA模塊化的本地安全服務(wù)可以提供，這里面包括了更多和加解密相關(guān)，安全存儲相關(guān)，可信區(qū)初始化以及證書初始化等功能模塊。這些對于通過PSA第三級認證以及實現(xiàn)一個TF-M可信的固件框架相當重要。

STM32U5同時提供安全固件加載功能?？蛻舭衍浖O(shè)計好之后，授權(quán)第三方生產(chǎn)，無法保證軟件的安全。ST通過內(nèi)部的SFI生產(chǎn)流程，可以幫助用戶在第三方的燒錄環(huán)境下，嚴格控制燒錄固件的安全和燒錄的數(shù)量控制。

因為增強了防篡改和軟件保護功能，STM32U585還適用于控制PIN交易安全（PTS）設(shè)備，這種設(shè)備必須滿足支付卡行業(yè)安全標準委員會（PCI SSC）的技術(shù)要求。作為一種安全通用MCU，STM32U585為開發(fā)者提供了一個簡化銷售和自助支付終端的設(shè)計生產(chǎn)的整體解決方案。

獲得“PTS官方批準設(shè)備”標志的產(chǎn)品通常需要專門用于防御在線攻擊和邊帶攻擊的安全芯片，還要單獨用一個MCU管理鍵盤、顯示器和USB連接等功能。現(xiàn)在，STM32U585單片整合了這所有功能，從而簡化了產(chǎn)品設(shè)計，并優(yōu)化了從采購和庫存管理到最終組裝的生產(chǎn)物流。終端制造商還可以根據(jù)PCI PTS v6等適用標準更快、更輕松地測試認證產(chǎn)品。

更強大的存儲單元

作為MCU選型來講，處理速度是一方面，存儲則是另外一個重要的指標。

STM32U5除了利用分區(qū)實現(xiàn)低功耗之外，存儲空間還得到了進一步的擴大。

如圖所示，STM32U5的Flash規(guī)劃從128kB至4MB，將極大擴充用戶的選型。同時，F(xiàn)lash中最高包含0.5MB具有100，000次讀寫能力的Flash，為用戶數(shù)據(jù)保存提高可靠保證，其余部分則為傳統(tǒng)的10，000次。

而SRAM則為786kB，并且支持ECC，從而滿足關(guān)鍵安全應(yīng)用。

同時，STM32U5還采用了一直以來的可變靜態(tài)存儲控制器FSMC，以及OctoSPI，從而支持更靈活的外部存儲擴充。

更精確的模擬外設(shè)

針對下一代感測和跟蹤應(yīng)用，新系列產(chǎn)品還提供了先進的高速14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

多功能數(shù)字濾波器（MDF）和音頻數(shù)字濾波器（ADF）則取代了ST的Sigma-Delta調(diào)制數(shù)字濾波器（DFSDM）。極大提高了聲音檢測功能，通過提高聲音活動檢測性能，并結(jié)合LPDMA低功耗特性，這些功能讓用戶能夠輕松將語音喚醒功能集成到基于低成本、低功耗微控制器的應(yīng)用場景。

更豐富的生態(tài)系統(tǒng)

一直以來，STM32就在致力于建設(shè)完善的生態(tài)系統(tǒng)，如今隨著STM32U5的正式發(fā)布，配套的評估板、IoT探索套件以及Nucleo最小系統(tǒng)都已配套發(fā)售。目前，根據(jù)存儲空間、硬件加密以及封裝形式不同，ST已經(jīng)推出24個型號的STM32U5。

值得一提的是IoT探索套件，包括STM32U585主處理器，還增加了很多的傳感器以及音頻麥克風。針對無線功能，則有基于STM32WB藍牙和ZigBee模組，以及由慶科信息開發(fā)的WiFi無線模組，實現(xiàn)更輕松的物聯(lián)網(wǎng)無線連接。

而針對開發(fā)套件，除了STM32Cube軟件套裝之外，ST也與微軟于2020年宣布針對Azure的合作，STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)直接使用Azure RTOS套件，支持更多的應(yīng)用代碼示例，以及更多的中間件，包括操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議、USB協(xié)議等。以往都需要通過不同第三方獲得的資源，如今一切都可以免費并一站式獲取。

在Github上，ST也共享了STM32Cube嵌入式軟件，工程師可以更快跟蹤相關(guān)信息。彭祖年同時透露，2021年四季度針對LPBAM，將推出相應(yīng)的配置工具。

總結(jié)

STM32U5是ST針對低功耗領(lǐng)域一款跨時代的產(chǎn)品。曹錦東也表示，低功耗的MCU要經(jīng)過仔細打磨。也正因此，為了確保完美發(fā)揮Cortex-M33 v8架構(gòu)的所有優(yōu)勢，ST采取穩(wěn)妥的策略，一步步進行優(yōu)化，先推出L5，作為U5和L4的橋梁，再通過進一步迭代，以確保交付完整且優(yōu)化的產(chǎn)品線。

而U系列相比L系列無論從工藝還是微架構(gòu)上都實現(xiàn)了重大升級，絕不是類似于L4至L4+的小改款。因此盡管ST沒有官方統(tǒng)一答復(fù)，但我更愿意相信U系列代表了Ultra，因為無論是功耗、安全還是性能，U系列都做到了低功耗MCU的極致。

編輯：jq