STM32L4+微控制器針對(duì)智能手表和其他可穿戴設(shè)備

STM32L4 +是首個(gè)在 ULPMark 中得分超過(guò) 200 的微控制器 （MCU） 系列，盡管它具有 640 KB 的 SRAM、2 MB 的閃存和運(yùn)行頻率為 120 MHz 的 Cortex-M4 。它使其成為此類超低功耗 MCU 的最佳功率性能比之一。STM32L4+ 組件的正式名稱為 STM32L4Rxxx 或 STM32L4Sxxx，還包括一個(gè)新的 Chrom-GRC 引擎和一個(gè)用于顯示器的 MIPI DSI 控制器，這解釋了為什么新架構(gòu)針對(duì)智能手表和其他可穿戴設(shè)備，以及許多其他設(shè)備，如工業(yè)傳感器、儀表、家庭自動(dòng)化和醫(yī)療應(yīng)用。

經(jīng)典的 STM32L4 是希望使用大量傳感器同時(shí)保持極低功耗的制造商的最愛(ài)。一個(gè)例子是 Valencell 的心率監(jiān)測(cè)器，它在 2016 年 ST 開發(fā)者大會(huì)上被證明非常受歡迎，因?yàn)樗梢允褂脕?lái)自SensorTile 板的數(shù)據(jù)計(jì)算傳感器融合算法，同時(shí)仍然適合小型腕帶。因此，STM32L4 MCU 目前在ULPMark 名人堂中排名前 5 位，而新的 STM32L4+ 部件是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗鼈儽３至艘詷O高效率為中心的相同理念，同時(shí)由于多項(xiàng)優(yōu)化而被證明更加強(qiáng)大。

Chrom-GRC 是如何工作的？

其中一種優(yōu)化采用Chrom-GRC（圖形資源切割器）的形式。簡(jiǎn)而言之，它是一個(gè)非常智能的圖形內(nèi)存管理單元，當(dāng)設(shè)備不使用矩形顯示器時(shí)，它可以將幀緩沖區(qū)的大小縮小多達(dá) 20%。很簡(jiǎn)單，幀緩沖區(qū)是一塊 RAM，用于存儲(chǔ)用戶最終將在屏幕上看到的每個(gè)像素的顏色值。人們可能會(huì)將其視為在系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)并將其發(fā)送到面板之前要顯示的圖像的二進(jìn)制表示。Chrom-GRC 的強(qiáng)大之處在于它能夠使這些數(shù)據(jù)適應(yīng)顯示器的形狀，只存儲(chǔ)可見(jiàn)像素，自動(dòng)丟棄那些無(wú)法在屏幕上顯示的像素，從而節(jié)省大量資源。

如果我們以今年推出的智能手表的大約 1.2 英寸顯示屏為例，其分辨率為 390 x 390，我們最終會(huì)得到一個(gè)由精確 152，100 像素（390 2）組成的圖像。由于這些屏幕的顏色深度為 24 位，因此我們最終得到的原始圖像大小為 3，650，400 位 （152，100 x 24） 或大約 446 KB （3，650，400 ÷ 8 ÷ 1024） 的幀緩沖區(qū)。 然而，由于這些 MCU 沒(méi)有像 STM32L4+ 中那樣的智能內(nèi)存管理系統(tǒng)，它們會(huì)存儲(chǔ)整個(gè)圖像，包括面板 IC 會(huì)因?yàn)轱@示器的圓形形狀而丟棄的位。鑒于大多數(shù)系統(tǒng)還需要 256 KB 的應(yīng)用程序，很容易理解為什么競(jìng)爭(zhēng)的 MCU 通常包含 1 MB 的 SRAM。

STM32L4+驅(qū)動(dòng)如何顯示？

如果我們運(yùn)行與上面相同的模擬，但將渲染圖像發(fā)送到新的 Chrom-GRC，系統(tǒng)將區(qū)分用戶可見(jiàn)的像素和不可見(jiàn)的像素，然后繼續(xù)刪除后者并將幀緩沖區(qū)縮小到 20%。因此內(nèi)存中的圖像不再是 446 KB，而是 357 KB。此外，與某些 STM32L4 的情況一樣，STM32L4+ 嵌入了 Chrom-ART 加速器 （DMA2D），可優(yōu)化某些圖形計(jì)算。通過(guò)使用 Chrom-ART 引擎，可以減輕主 CPU 的一些重復(fù)性 2D 圖形操作，例如 2D 副本、透明度或 alpha 混合。其他任務(wù)，如像素格式轉(zhuǎn)換，執(zhí)行速度是中央處理器執(zhí)行速度的兩倍。

然后 MCU 通過(guò)控制器將幀發(fā)送到顯示器。STM32L4+ 仍然包含一個(gè)TFT 控制器，但 ST 還集成了一個(gè)MIPI DSI 控制器 適合希望使用更現(xiàn)代界面的工程師。移動(dòng)行業(yè)處理器接口（MIPI，發(fā)音為“mipee”）顯示串行接口（DSI）在移動(dòng)設(shè)備中非常普遍，因?yàn)樗褂每焖俸透叻直媛实臄?shù)據(jù)流與屏幕的 IC 進(jìn)行通信。STM32L4+ 中的 MIPI DSI 控制器使用兩個(gè)通道，每個(gè)通道高達(dá) 500 Mbit/s。因此，主機(jī) MCU 可以管理更高分辨率的顯示器，同時(shí)需要更少的功率和更少的引腳，并減少電磁干擾。所有這些都是可能的，因?yàn)橄到y(tǒng)將像素和命令數(shù)據(jù)序列化為單個(gè)物理流以優(yōu)化它們的傳輸。

客觀上更高效

STM32L4+ MCU 的核心是超低功耗組件。因此，它們令人印象深刻，因?yàn)樗鼈兊募軜?gòu)僅需要 43 μA/MHz，而關(guān)斷模式僅需要 33 nA。此外，ST 通過(guò)提供多種睡眠、待機(jī)和停止方法來(lái)優(yōu)化功耗，從而使結(jié)構(gòu)更加靈活，無(wú)論用戶活動(dòng)如何。例如，Stop 2 模式可以保持整個(gè) SRAM 處于活動(dòng)狀態(tài)，或者關(guān)閉 384 KB（例如可以分配給幀緩沖區(qū)）以僅使用專用于應(yīng)用程序和傳感器數(shù)據(jù)采集的 256 KB。因此，如果屏幕和幀緩沖區(qū)關(guān)閉（通常是智能手表空閑時(shí)的情況），此模式會(huì)將電流降低至僅 2.8 μA。此外，由于從停止模式喚醒僅需 5 μs，因此對(duì)用戶沒(méi)有明顯的影響。

然而，談?wù)摴氖且换厥拢ㄟ^(guò)客觀來(lái)源公開驗(yàn)證是另一回事，這就是為什么 ST 自豪地宣布STM32L4+ 系列在 EEMBC 的 ULPMark CP（Core Profile）中獲得 233 分的原因。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有其他 MCU 與其配置相近，因此很難進(jìn)行比較。盡管如此，作為參考，我們看到一些只有 128 KB SRAM 和 52 MHz Cortex M4 的競(jìng)爭(zhēng)芯片只能在 ULPMark 中獲得 203 分（越大越好），而具有最高“保留 SRAM”的 MCU ”只有區(qū)區(qū)72分。同樣，STM32L4+ 的 ULPMark PP（Peripheral Profile）得分高達(dá) 56.5，但由于本次基準(zhǔn)測(cè)試中排名前 5 的 MCU 都是 STM32L4，這最終意味著 ST 擊敗了自己的設(shè)備并進(jìn)一步推動(dòng)了排行榜。

體驗(yàn) STM32L4+ 的強(qiáng)大功能……現(xiàn)在！

不可能在一篇博文中詳盡列出使 STM32L4+ 成為如此強(qiáng)大架構(gòu)的所有特性。例如，與最高運(yùn)行頻率為 80 MHz 的 STM32L4 組件相比，新系列可以達(dá)到120 MHz，這使架構(gòu)完全處于另一個(gè)聯(lián)盟。STM32L4+ 也是第一個(gè)提供兩個(gè) Octo SPI 端口的 STM32 架構(gòu)，支持 NOR Flash（包括就地執(zhí)行）和 Hyperbus TM RAM。最終，盡管 MCU 的典型運(yùn)行功耗僅為 43 μA/MHz，但在以最大頻率運(yùn)行時(shí)，MCU 仍可達(dá)到 410.32 的 Coremark 和 150 DMIPS。

開始試驗(yàn) STM32L4+ 的最佳方式是使用其 Nucleo 套件 （NUCLEO-L4R5ZI）、 探索套件 （STM32L4R9I-DISCO）或評(píng)估板 STM32L4R9I-EVAL。它們每個(gè)都包括最強(qiáng)大和功能最豐富的架構(gòu)版本。因此，工程師和愛(ài)好者可以使用最近推出的STM32 Power Shield開始開發(fā)他們的應(yīng)用程序，甚至進(jìn)一步測(cè)試功耗以及運(yùn)行更多 ULPMark 測(cè)試。然后可以更快地確定哪個(gè)確切的 STM32L4+ MCU 最適合特定設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儍H在引腳數(shù)、閃存容量以及是否存在特定功能方面真正有所不同。

此外，由于它們都是引腳對(duì)引腳兼容的，因此借助 STM32CubeMX和STM32L4Cube從一個(gè)切換到另一個(gè)從未如此簡(jiǎn)單 。最后，STM32L4+ 產(chǎn)品組合以及所有套件和電路板現(xiàn)已投入生產(chǎn)，我們迫不及待地想看看它們將如何促進(jìn)我們合作伙伴和社區(qū)的創(chuàng)造力和創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷