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从云端连结到智慧边缘 揭秘STM32策略布局
 

【作者: 王岫晨】2023年04月10日 星期一

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图一
图一

物联网(IoT)应用市场在近年来已经开始深入大家生活中,意法半导体(ST)也随着IoT需求的增加,慢慢地扩展到不同的应用和产品。无论是智慧家庭、智慧能源或者是Smart Everything,这些都是支撑IoT发展的驱动力,需要更多高效能的STM32来协助边缘运算,提高效率。


在这些研发过程中,资料安全和骇客攻击也是非常重要的议题,因此ST也在资料加密方面做了进一步提升,未来还会扩大支援更多物联网产品和应用。



图二
图二

得益於客户的支持,ST在2021年成为全球通用微控制器的稳定领导者。持续成长归功於不断努力和新产品的推出,让客户感到使用ST产品可以达到更高的效率。ST在各个领域都有非常高的成长,特别是在工业领域,拥有超过50%的市占率。



图三
图三

从2021年到2026年,市场驱动力有几个,例如主要的家电和制造自动化,还包括提高能源效率的应用,例如伺服器电源、储能系统、马达控制、电动工具等。智慧大楼和智慧家庭的应用也都可以归类为智慧大楼。


为了继续保持全球领先的地位,除了开发一系列高效能的STM32 MCU,例如STM32C0、U5或H5,我们还扩展到无线产品和微处理器等不同领域。



图四
图四

同时,ST在生态系统和解决方案上也引入了AI应用,以支援客户需求,包括拥有更完善安全性的Cube.AI和大家所熟悉的TouchGFX图形介面。


MCU是一个没有生命的物件,它需要工程师撰写韧体并加入他们的创意,才能让MCU发挥该有的功能。在开发的过程中,STM32Cube是一个非常关键的核心。ST推出了很多能与STM32Cube搭配使用的开发板和其他周边相关元件和资源,例如感测器、MCU I/O的设定,还有不同应用的资料库、MEMS,以及用来进行人脸辨识的ToF感测器。



图五
图五

所有这些元件都包含在STM32Cube的软体中。ST希??透过丰富的生态系统和软硬体支援,让客户优先选择STM32开发平台。


从2021年到2022年,下载ST的工具的开发者人数增加了超过20%,而X-Cube.AI的使用者也增加了10%。这代表已经有许多人关注AI相关议题,因此产生了需求。ST提供的线上教育训练的观看时间也增加了15%。此外,加入STM32生态系统的客户数量也增加了15%。



图六
图六

STM32未来的发展方向将聚焦在安全、无线连接、包括Node端和云端的技术以及进阶的人工智慧(AI)。同时,MPU(微处理器)也有很大的成长空间。


ST将持续投入更多资源以提供客户更好的支援,因此经持续扩增法国Crolles跟义大利Agrate厂产能。从现在到2025年预计可以提升两倍的产能。而ST也与台湾知名的晶圆厂合作,特别是90奈米和40奈米的制程,确保供货稳定。


STM32C0微控制器


图七
图七

ST最近推出了三款新产品,其中两款是微控制器,另一款是微处理器。其中之一是STM32C0微控制器,它的推出源於时代正在从传统的手动牙刷转向电动牙刷,这也需要微控制器。现在,市场上的电风扇具有越来越多的功能,甚至可以透过遥控器进行控制,这些功能的进化带动了微控制器的使用率增加。


在这些例子中,原本使用8位元微控制器已经足够,但随着技术和需求提升,转移至32位元微控制器已成为必然趋势。然而,在转换过程中,开发者需要面对一些挑战,ST推出STM32C0微控制器就是为了帮助开发者无缝地从8位元移转至32位元微控制器。



图八
图八

STM32C0有几个显着的特点。除了价格亲民之外,它还继承了STM32的卓越品质和可靠性,并且与已经量产的STM32G0相容。从生态系统到脚位配置,开发者可以在两者之间轻松无缝转换,而从STM32G0转换至STM32C0也可以轻松实现,因此成本更低。


STM32C0的目标应用包括家用电器、风扇和烟雾侦测器等。特别是烟雾侦测器这种低价产品,以往开发者会选择8位元微控制器,但现在可以以成本效益更高的STM32C0来替代。此外,ST还加强了一些功能,例如最隹化的脚位配置,使得开发者可以在同样的封装中使用更多的I/O数量。与STM32G0一样,它内建了1%高精度RC,因此某些应用程序不再需要外部振荡器。此外,它提供了9种不同的封装尺寸,包括QFN、SO8N和最小的WLCSP12。



图九
图九

一般传统的MCU可能有多组Power Pairs,另外还需要一个外部的振荡器。在STM32C0,则减少为一组Power Pair,其他的脚位分布就可以拿来作为其他用途,例如 GPIO。


另外在电压的部分,现在主流的设计是3.3伏特,ST将低电压支援的部分稍微提升,并将空间缩小范围缩小至2伏特到3.6伏特。 如此同样可以满足目前大部分客户所需的规格。



图十
图十

STM32C0跟G0大部分的封装都是Pin to Pin。也使用同样的制程平台,两者都是90奈米。另外,大部分的IP都是相容的,所以STM32C0能与G0完美接轨。


ST会推出STM32C0除了价格平易近人之外,相较G0,STM32C0提供的是48MHz的频率。STM32F0的频率就是48MHz,也因此,STM32C0并没有牺牲太多的效能。C0在温度的表现不只着眼在消费性应用,工业性应用也非常重要,所以C0还提供高达125度的温度支援。


在封装的部分,目前最多提供到48-Pin,但是C0还在持续演进,未来将会推出更多的产品。



图十一
图十一

除了SO8N封装,内缩的QFN封装,还有最小的WLCSP12封装等,目前共有9种封装选择。完整的C0产品组合,范围从8-Pin到48-Pin,现在主要提供两种搭配。分别为STM32C011,以及STM32C031。最主要的差异为STM32C011内建6K的SRAM,而C031则内建12K的SRAM,两者的记忆体尺寸有点不太一样。此外,C031多了一些周边支援。 不过,C01和C031在内建快闪记忆体的支援都一样,皆支援16K和32K。


STM32C0目前提供了三种开发板,首先是48-Pin的Nucleo-C031,接着是一个48-pin的C031 Discovery Kit。这个Discovery Kit外接 STLINK可做为烧录使用。最後是20-Pin的C011 Discovery Kit,其采用非常小的包装,ST-Link也内建在开发板里面。


STM32H5微控制器


图十二
图十二

另外一个微控制器产品是STM32H5。过去STM32F1需要增加一些功能,记忆体和效能也需要再提升,这也是STM32H5存在的目的。


另外,开发人员提到有客户要求他们作出符合网路安全的工业风扇,STM32H5就可以轻松解决这些问题。



图十三
图十三

STM32H5内建的是Cortex-M33内核心,其运行频率达250MHz。这是市面上第一个能够达到250MHz的Cortex-M33的产品。那另外一个要强调的特色就是安全性。ST利用模组化的设计,让没有专业背景的开发者,也能迅速地利用模组化的方式,完成具安全性设计的目标。


STM32H5承袭STM32H7最新优化的40奈米的制程技术。同时提供内建高达2MB的记忆体空间,以及多种类比和数位的周边选择。


目标应用包括智慧家庭、智慧城市、工厂自动化,还有消费性的产品,都是H5所着眼的应用。


工业自动化的应用要求需要达到高效能的指标,所以运行在250MHz的频率足已符合大部分工业自动化的应用。此外,H5还具有高达2MB的内建记忆体。ST近期推出多款MCU皆支援到高达125度的温度,正代表着ST看重工业相关的应用。



图十四
图十四

而工业4.0另外一个特色是要能符合安全。STM32H5已经通过 PSA跟SESIP第三级的认证。 除了资讯安全的认证之外,在功能安全的部分,硬体也支援了SIL等级的资料库。


在连结性的部分,除了工业常会用到的Ethernet之外,STM32H5在STM32产品组合中是第一颗支援MIPI-I3C的MCU。在未来感测器传输速度越来越快的状况下,这样的周边支援是有必要的。


STM32H5虽然是高效能的微控制器,但也非常适用在IoT的应用。无论是智慧家庭、工业物联网等,即使STM32H5的运行频率高达250MHz,其功耗每MHz却只有61μA,这已经达到IoT装置的标准。这样的功耗表现在整体市场上是非常杰出的。


封装方面,STM32H5提供从最小 25-Pin到最大176-Pin广泛的封装选择,因此ST能提供非常足够的产品组合。


在安全层面的部分,对於IoT设备,客户可能需要连接到Amazon的AWS ,或是Microsoft的Azure,连线的过程通常需要经过验证。验证的过程如何配合与沟通对开发者来说需要耗费非常多心力。ST推出简易使用的设计 ,帮助开发者快速地达成要验证的功能。


STM32F2跟STM32F4 以往是属於高效能系列的MCU,不过相较F2和F4效能的比分,STM32H5取得375 DMIPS和1023 CoreMark,这效能超过F2一倍以上,而且相较F4的效能亦是高出许多。ST加强了内建的设计,包括ART Accelerator用於指令和资料快取,可以加速内建和外部的快闪记忆体存取。



图十五
图十五

另外STM32H5将FMAC和 Cordic的数学运算加速器内建在MCU里,使其更适用於数位电源或是马达控制,使用额外的运算加速器可以减少CPU的负荷。


STM32H5一个很大的变革, 就是安全功能。STM32H5已通过 SESIP和PSA 第三级的认证。在目前STM32的产品组合之中,已是最高等级的认证。



图十六
图十六

通常工程师会想知道如何在尚未开发过安全机制的情况之下,快速地达到客户的要求,ST所提供的方案就是Secure Manager(安全管理器)。ST-uRoT跟ST-iRoT,就是ST所提供的服务。安全的服务会提供开发者套件和图形使用者介面的工具。「ST-iRoT」是内容不可变动的开机信任根,而「ST-uRoT」则是日後可更新的信任根。当ST出货给客户的时候,希??开发者在使用我们提供的方案时尽量不要去变动里面的内容,如此一来客户的产品才有较高机会通过PSA或是SESIP的认证。


最核心的功能就是Secure Manager (安全管理器)。ST会提供一个图形使用者介面,以便开发者进行配置,包括预先的加密配置、可信赖的储存区域,也可以进行一些验证程序。


STM32MP13系列微处理器


图十七
图十七

第三款产品是 STM32MP13系列微处理器。除了将STM32MPU的效能提升到1GHz,同时具备A7核心。相较以往的STM32MP15,将Cortex-M4核心移除,目的在於提供价格更平易近人,但同时保有更高的效能产品。


STM32MP13承袭了MP15的资源,所以其开发生态系统完全相同。同时提供不同PCB布局的叁考设计,这些都可以从网路上下载。


另外,MP13的功耗已做了最隹化的设计,所以在待机或VBAT模式相较竞争对手可节省高达90%的功耗。



图十八
图十八

MP13的目标应用很多来自工业领域,包括像机器手臂、充电桩。同时也包括支付的应用,例如行动支付、终端支付,这些都是MP13 强调并支援安全机制的应用。


MP13和MP15一样,100%的操作使用可以维持10年。温度支援可达125度,而且DRAM亦支援到533MHz。



图十九
图十九

安全功能是STM32MP13微处理器特别强调的重点 。ST针对外接的记忆体可加解密传输来形成一道保护。ST提供了具硬体加解密功能和没有硬体加解密功能的不同料号选择。在整个产品生命周期里,ST也提供了平台认证的作法 。



图二十
图二十

由於Cortex-A7具有TrustZone ,所以开发者的程式码可以很容易隔离,以避免权限不足的应用程式存取到权限等级比较高的应用程式,这是 TrustZone的精神所在。搭配原来的生态系统,所以MP13 实际上已达到SESIP第三级,ST甚至还去做了支付卡产业PTS/POI 6.0预先认证,以及PSA第一级的认证。



图二十一
图二十一

相较於竞争对手,ST在低功耗表现特别杰出。不同模式下,所对应之节省下来的功耗百分比很高。能够节省非常多的效能,这也归功於ST的STPMIC1电源管理IC。所以STM32MP13搭配STPMIC1的组合不但效能与功耗表现优良,元件使用量也减少许多。



图二十二
图二十二

针对STM32MP13提供三种不同封装,包括 LFBGA289、TFBGA320,以及TFBGA289。若开发者有成本上的考量,需要用到四层板,则可选择前面两者。若需要更小封装,就可选择後者的TFBGA289。


物联网(IoT)应用市场在近年来已经开始深入大家生活中,意法半导体(ST)也随着IoT需求的增加,慢慢地扩展到不同的应用和产品。


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