STM32-F2系列微控制器 可以满意工厂自动化严苛要求的高速Cortex-M3微控制器

工业环境正在对嵌入式操控体系开发人员构成日益严峻的应战，究其首要原因，当时体系和通讯协议栈变得越来越杂乱，体系实时性和安全要求越来越严厉，一起，这种趋势直接影响到半导体元器件的特性和技能规范。

为战胜这些应战，意法半导体在本年初发布了STM32-F2系列微操控器，以协助开发人员完成要求严苛的工业运用。新系列产品诞生于深受商场欢迎的STM32产品宗族，具有更高的功用、更大的存储容量和针对工业运用优化的外设。F2系列产品在一颗芯片上集成了多种功用，例如，操控/调整功用和杂乱的通讯协议栈。高集成度的长处是，缩小印刷电路板空间，防止在不同的操控器之间存在易遭到电磁兼容性影响的衔接电路，优化运用本钱。

工业自动化商场的特点是多个通讯协议并存，实时运用需求高效的操作体系。因而，软件栈和操作体系成为挑选微操控器的首要参数。 STM32微操控器根据遭到商场广泛支撑的Cortex M3内核，因而，有20多家实时操作体系和通讯协议供给商供用户挑选。为使STM32微操控器愈加完美，意法半导体还添加了一个兼容CMSIS的硬件笼统层和其它固件库，例如，支撑永磁同步电机(PMSM)的磁场定向操控 (FOC) 。本文将介绍两个第三方专门为STM32F-2研发的工厂自动化软件: IXXAT 开发的支撑PTP的IEEE1588协议软件包和 PORT 开发的Profinet通讯协议栈。

与上一代产品STM32-F1比较，STM32-F2在许多方面加以改善，特别是功用愈加超卓，外设接口愈加丰厚。STM32-F2选用90nm光刻技能，处理速度到达120MHz，并使运转功耗坚持在合理水平(300uA/MHz)。这项光刻技能的另一个长处是集成度更高，有助于下降运用的体系级本钱。

为了充分发挥Cortex-M3内核的优异功用，意法半导体从头评价了产品架构。新产品在120MHz下开释150DMIP的微弱功用(Dhrystone 2.1)，CoreMark™测验成果取得254高分(2.120 CoreMark/MHz 经过EEMBC 认证)， STM32F-2因而进入Cortex-M微操控器的榜首阵营，这个成果归功于自适应实时存储器加速器(ART^TM)，选用这项闪存拜访办理技能后，运用代码履行不再会受闪存自身固有的等候状况的影响。尽管闪存的速度比内核自身慢三倍，可是，在代码履行进程中不会呈现等候状况，即使处理速度到达120MHz时也是零等候状况。因而，新系列产品可大幅减缩规划尺度，下降功耗和闪存的EMC影响，保证最高的产品功用。

STM32-F2的首要特性如下: 最高1MB的闪存、128kB RAM、6个UART(7.5Mbps)、3 SPI接口 (30Mbps)、支撑IEE1588 PTP V2的以太网媒体拜访操控器（MAC）、4kB备用RAM、512字节的一次性可编程存储器（OTP）。

除单纯的内核核算才能外，微操控器规划人员还必须考虑总线规划，在微操控器不同单元之间完成并行访存和数据传输，例如，内核和通讯外设需求一起拜访不同的存储器。因而，首要总线终究被规划成一个多层AHB总线矩阵，最多支撑6个同步数据流。

STM32-F2系列微操控器共有5个总线主操控器：

上图中的黑点代表在这个7层总线结构中总线主操控器与从操控器的悉数接口。为进步体系的能效，SRAM存储器被分红两个存储区SRAM1和SRAM2，SRAM1用于保存根本协议栈和变量，而SRAM2则用作通讯外设的帧缓冲区。以太网和USB外设都占用了几千字节的FIFO存储空间，并且别离具有一个各自专用的DMA操控器。

除多个SRAM分区外，该体系还有两个AHB总线从操控器。同样地，这样的装备允许不同的总线主操控器并行处理和同步拜访不同的高速外设，例如，加密处理器和通用输入输出端口。AHB从操控器和DMA操控器都是双端口，这样规划允许在AHB总线上直接衔接DMA操控器与高速外设，防止在总线矩阵和二级高速至低速桥上因推迟而下降功用。

外部存储器接口又称“静态存储操控器”，可直接衔接不同的异步和同步存储器、NOR/NAND闪存、SRAM、伪SRAM，乃至还能衔接一个液晶显现器操控器，外存接口总线频率最高60MHz，还能经过指令总线(I-bus)获取CPU内核指令。

意法半导体的自适应实时（ART）存储器加速器（如上图所示）可让Cortex-M3内核开释最高的处理功用，尽管闪存自身需求等候状况，可是，引进这项技能后，STM32-F2以120 MHz的速度从闪存履行代码无等候状况。

存储器接口是128位宽，每次可取4-8条THUMB2指令。假设履行线性代码，由于预取指功用，即使闪存速度仅仅内核的四分之一，代码履行也不会呈现等候状况。

可是，假设履行搬运或跳转指令，需求当即取出搬运或跳转方针地址的数据，这样，存储器的等候状况会添加体系开支，这便是ART及其64项高速指令缓存发挥作用的当地。假设非次序指令榜首次呈现，这条指令将从存储器中取出并保存在64项高速缓存的一个存储项内。鄙人一次呈现时，该指令将从高速缓存中直接取出，没有等候状况。

这个指令高速缓存还有一个LRU即最近不常用机制，因而，假设一个运用软件的搬运指令逾越64条，最近常用的新指令将替代最近不常用的指令。这个架构的长处是，即使中止服务处理程序被加速器掩盖，这个机制依然可以支撑各种搬运指令。

最常用的8行数据项目像高速指令缓存相同，可是用于暂存最常用的数据库，可以使D-bus总线当即充溢数据。

丈量体系、电信设备、自动化体系或轿车体系等分布式运用设备对准确时序机制的要求越来越高。IEEE 1588的准确时序协议（PTP）经过以太网使分布式设备的时序同步精度到达纳秒级，然后满意分布式运用体系的要求。

IXXAT自动化技能有限公司开发的IEEE 1588协议软件让设备厂商可以轻松、快速地开发IEEE 1588兼容设备，这款软件的源代码选用C言语，可完成在任何渠道上。

为了介意法半导体的STM32-F2系列微操控器上完成IEEE 1588协议，IXXAT为STM32-F2用户供给一个定制版协议软件，该解决方案大幅简化并加快了协议的完成进程。STM32-F2专用协议软件需求与一个有组播功用的TCP/IP协议栈合作运用，有无操作体系均可。

由于功用丰厚，接连晋级，占有率高，IXXAT的IEEE 1588协议软件已成为1588协议软件商场的首要参阅规范。最新的1.03版IEEE 1588已支撑新的IPv6规范，该规范将逐步被新体系所选用。这个解决方案的模块化软件结构包含根本包和可选扩展文件，例如，用于IPv6、IEEE 802.3和Unicast的文件，让包与专门运用及其资源可以完成最佳匹配。

用户可以动态设置多种功用，例如，推迟机制（对等/端到端）和通讯技能（IPv4, IPv6, 802.3），因而，规划人员开发设备时无需考虑网络结构，用户运用设备时无需修正固件，这样规划可以下降研发本钱，让客户提出更吸引人的价值建议。

STM32-F2系列微操控器在以太网媒体拜访操控器MAC内整合了支撑IEEE 1588 (PTP V2)的硬件，具有完成一个高精度时序同步协议所需的悉数资源。咱们做了一个长期的背对背衔接同步测验， 选用了1个准确的主操控器（2ppm晶振），测验条件是0.125秒同步距离，测验成果显现，该渠道最大同步误差为±70纳秒，规范同步误差大约是15纳秒。在上电后，IXXAT的IEEE 1588协议软件同步均匀需求大约20个同步距离。

在一个STM32微操控器上完成的IEEE 1588软件，取得1个有IPv4、端到端 (E2E)和对等(P2P)推迟机制和主操控器的通用一般时钟的典型功用，需求47KB空间保存程序代码，7KB空间保存只读数据，23KB空间保存读写数据。

除IEEE 1588协议软件外，IXXAT的服务还包含定制软硬件开发和体系规划，以及技能研讨会和代码推介会服务。STM3210C-EVAL 评价板用户可以从下面的网址下载IXXAT与意法半导体合作开发的免费版IEEE 1588软件：http://www.ixxat.de/evaluation_kit_stm3210c_de.html.

Port公司是商场抢先的CAN/CANopen、DeviceNet现场总线解决方案供给商，公司加强了硬件和固件开发才能，扩展了事务组合，加强了协议栈和POWERLINK、PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT开发东西产品组合。

PROFINET是工业以太网版PROFIBUS总线，而这项技能被业界公认为极端消耗资源。意法半导体与Port合作为STM32 F-2系列研发了一款只需128KB SRAM存储容量的PROFINET软件，让意法半导体的微操控器步入一个新的运用范畴。STM32 F-2与Port PROFINET组合不只适用于工业自动化运用，例如，工业编码器（定位）、工业驱动附件，并且还适用于内置以太网操控功用的安全体系。PROFINET的 STM32 F-2版协议栈为用户供给契合IEC 61158和IEC 61784规范的PROFINET IO兼容通讯所需的悉数服务功用，协助用户轻松快速地开发PROFINET IO设备。该解决方案是是经过一个硬件笼统层拜访硬件，并为用户供给可以衔接意法半导体的不同微操控器的驱动程序，有无操作体系均可。为了快速取得总线运用权限，契合PROFINET的技能规范，该解决方案对底层以太网驱动软件进行了优化。STM32 F-2支撑PROFINET Conformance Class A，还可以支撑PROFINET Realtime Class 1。为了协助规划人员轻松快速地开发项目，Port还供给一个PROFINET规划东西。

由于集成两个先进的定时器外设、3个快速数模转化器(0.5MSps)和DMA直接访存功用，STM32F2x特别合适需求1个或2个电机操控驱动器的运用。即使驱动两个电机时，150DMIPS的功用让STM32F2x有足够后备动力驱动其它杂乱的运用使命。

STM32-F2装备STM32 PMSM FOC软件开发东西，完成了磁场定向操控（FOC）驱动3相永磁同步外表装置电机(SM-PMSM)和内部装置电机(I-PMSM)，最新的3.1版STM32 PMSM FOC开发东西套件包含STM32F-2微操控器，估计2011年7月上市。

STM32 PMSM FOC开发东西套件可用于快速评价STM32微操控器的各种运用和完好的运用渠道，当开发介意法半导体微操控器上运转的电机操控算法时，这套开发东西有助于缩短的运用的开发周期。PMSM FOC固件的源代码选用C言语，完成了电机操控内核算法（参阅系转化、电流调整、速度调整、空间矢量调制、能效优化）以及传感器检测算法、解码算法（3个并联电阻、意法半导体专利单直流链路并联电阻、阻隔型电流传感器、增量编码器、霍尔传感器）和转子方位重构无传感器算法。

为了让咱们了解STM32F-2超卓的核算功用，咱们做了一个功用测验。在运用两个并联电阻检测电机电流的无传感器装备中，用一个STM32F-2驱动两个PMSM电机，依照规范双矢量操控功用（以10kHz运转FOC算法）测验，CPU负荷在35%的范围内；依照高档双矢量操控功用（以16kHz运转FOC算法）测验，CPU负荷在50%的范围内。这些功用为STM32F-2系列微操控器在工厂自动化范畴敞开了广泛的运用空间。

要求严厉的工业通讯协议软件栈明显可以充分利用STM32F-2系列微操控器高于同级产品的优异功用。当履行高功用运用软件和算法时，STM32F-2履行速度比上一代产品STM32F-1进步1倍多。

STM32-F2系列产品现已过客户检测验证，现在正在提高产值。大多数固件和协议栈现已上市，未上市的也预备本年夏日发布。STM32-F2系列产品的晋级产品现在正在规划阶段，新一代产品包含根据Cortex-M4内核的微操控器，可以更好地支撑需求数字信号处理器的运用。