如何實現(xiàn)更極致的超低功耗表現(xiàn)？STM32U5帶來在Cortex-M33上更完整產(chǎn)品表達(dá)
[導(dǎo)讀]出品?21ic電子網(wǎng)?劉巖軒網(wǎng)站：21ic.com“超低功耗產(chǎn)品線一直以來是STM32非常重要的產(chǎn)品線，是戰(zhàn)略性的產(chǎn)品線?！币夥ò雽?dǎo)體副總裁，中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東先生表示，“STM32U5這一產(chǎn)品線在ST內(nèi)部也花了漫長的時間在研發(fā)，因為不僅僅有新的工藝的創(chuàng)新、...
出品?21ic電子網(wǎng)?劉巖軒
網(wǎng)站：21ic.com
“超低功耗產(chǎn)品線一直以來是STM32非常重要的產(chǎn)品線，是戰(zhàn)略性的產(chǎn)品線。”意法半導(dǎo)體副總裁，中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東先生表示，“STM32U5這一產(chǎn)品線在ST內(nèi)部也花了漫長的時間在研發(fā)，因為不僅僅有新的工藝的創(chuàng)新、還有IP包括整個架構(gòu)的新設(shè)計。”
關(guān)注ST的可以注意到，MCU產(chǎn)品家族近年來來一個方向是在做無線集成方向上鋪展；另一個方向是垂直的發(fā)展：向上的多核MPU和向下的G0……而隨著新一代低功耗內(nèi)核M23和M33的發(fā)布之后，使用低功耗M核的MCU產(chǎn)品在性能和安全性上將會獲得躍升。
ST在沉淀了足夠的技術(shù)創(chuàng)新和安全功能積累之后，帶來新一代的超低功耗MCU的重大革新——STM32U5，這是其MCU產(chǎn)品線在主流低功耗產(chǎn)品方向上的一個重要突破。STM32U5達(dá)到了240 DMIPS/651Coremark的表現(xiàn)，遠(yuǎn)超之前的L4 和L5產(chǎn)品。并且它是ST在Cortex-M33內(nèi)核上更為完整的產(chǎn)品表達(dá)，未來也將在從低到高的不同memory上進(jìn)行型號擴(kuò)充。
作為超低功耗的旗艦級產(chǎn)品，STM32U5在低功耗上實現(xiàn)了新的技術(shù)創(chuàng)新——低功耗后臺自主模式（Low Power Background Autonomous Mode，簡稱LPBAM）。首先是在CPU和外設(shè)之間新增了一塊SRAM作為數(shù)據(jù)的緩存，給CPU處理外設(shè)數(shù)據(jù)的流程增加了一個緩沖。
據(jù)意法半導(dǎo)體中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年分享，“當(dāng)芯片進(jìn)入一個低功耗模式時，CPU是需要斷電的，但產(chǎn)品外面可能還會搭載很多的傳感器。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能會實時地輸入到主控芯片這一側(cè)來，通常情況下，這個傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是需要系統(tǒng)或CPU來進(jìn)行一些操作，做一些數(shù)據(jù)處理的工作，但在STM32U5這款產(chǎn)品上，設(shè)置了一個獨特的外設(shè)，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC等等這些外設(shè)上的數(shù)據(jù)，在不喚醒CPU的情況下，搬運至單片機(jī)內(nèi)部一塊SRAM4，大概有16kB的空間，當(dāng)這些數(shù)據(jù)累計到一定數(shù)量時，我們再喚醒Cortex-M33內(nèi)核進(jìn)行一次性的批處理?！?/span>
據(jù)悉，SRAM4具有單獨的供電開關(guān)，在其他SRAM關(guān)閉時候可以單獨進(jìn)行供電。通過這16KB的SRAM4來實現(xiàn)了傳感器等外設(shè)的一個數(shù)據(jù)緩沖，使得STM32U5的CPU喚醒次數(shù)相比傳統(tǒng)低功耗MCU的設(shè)計實現(xiàn)了進(jìn)一步的降低，據(jù)稱根據(jù)STM32U5與經(jīng)典數(shù)據(jù)采集以及喚醒處理的模型的對比，差不多可以將CPU喚醒的次數(shù)變成原來的1/10。
有了16KB的SRAM4的增加，STM32U5實現(xiàn)了更豐富靈活的低功耗模式配置。從shutdown到Runmode之間，還有4中STOP模式和兩種standby模式可以供用戶根據(jù)不同工作狀態(tài)進(jìn)行配置。據(jù)彭祖年分享，STM32U5上還有諸多省電的配置小技巧：譬如通過內(nèi)部的SMPS去轉(zhuǎn)換VDD和CPU內(nèi)核供電的電壓，讓CPU供電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到更優(yōu)的動態(tài)功耗，在不同的功耗模式下切換也可以達(dá)到微秒級。
另外值得一提的是STM32U5內(nèi)部的Flash是雙bank設(shè)計的，用戶可以將一個不常用的bank在低功耗模式下斷電，這樣又可以節(jié)省40微安左右；但當(dāng)指令跳轉(zhuǎn)到被斷電的Flash Bank上時，系統(tǒng)是可以自動喚醒的，只需要等待5微秒的延時。通過損失5微秒讀取速度來獲得45微安的功耗節(jié)省，這也是STM32U5上的一個技巧。
對于MCU低功耗的表現(xiàn)，僅僅關(guān)注CPU的耗電，或者僅僅關(guān)注某一個狀態(tài)下MCU的耗電，都不能完整的反映出一個MCU整體的功耗表現(xiàn)。
彭祖年表示，如何評估MCU的功耗是一個比較系統(tǒng)的問題，ST展示了關(guān)于ULP benchmark很多不同分類的評估，每一項對于芯片低功耗表現(xiàn)的關(guān)注點都不太一樣。有的是系統(tǒng)運行時的 功耗，有的是系統(tǒng)睡眠及喚醒時的功耗，還有一些是關(guān)注芯片外設(shè)的功耗。因為不止是CPU需要耗電，外設(shè)、包括整個時鐘管理單元等等都需要耗電。根據(jù)不同客戶的運營場景，實際的功耗結(jié)果是千差萬別的。所以NBC官網(wǎng)上做了幾種不同模型，用戶可以參照這些模型來評估自己的應(yīng)用場景的總的功耗表現(xiàn)是什么樣的。
Arm更新的Cortex-M33的其中一大特性就是引入了成熟的TrustZone的技術(shù)，在安全功能上實現(xiàn)了加強(qiáng)，因此采用M33架構(gòu)的STM32U5天生就具備了隔離架構(gòu)帶來的高安全性。而僅僅內(nèi)核的隔離或TrustZone的支持是不夠的，在STM32U5上還增加了內(nèi)部存儲、總線和外設(shè)上都做了個禮配置的設(shè)計。
據(jù)彭祖年介紹，“除了隔離之外，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(hù)狀態(tài)機(jī)。存儲保護(hù)也做了全新的更新，針對內(nèi)部存儲防篡改，增加了OTP這樣的空間，還有更多的主動式防侵犯的active tamper的設(shè)計。在這樣的完整的安全設(shè)計下，我們的Secure Boot安全啟動也可以讓用戶的安全架構(gòu)設(shè)計能夠獲得不可變的穩(wěn)定的信任根。最終，我們的產(chǎn)品可以通過PSA Level3的認(rèn)證。這也是目前所有STM32產(chǎn)品當(dāng)中首款可以通過三級安全認(rèn)證的產(chǎn)品?！?/span>
另外必不可少的，STM32U5也支持端到端的安全固件燒錄工具鏈，確保用戶在第三方進(jìn)行生產(chǎn)燒錄時的安全性。
據(jù)曹錦東分享，STM32U5在安全性上的提升，將有望實現(xiàn)對于可穿戴設(shè)備支付功能更好的支持。
STM32L5算是基于U5和L4之間的橋梁，它的意義是首先將Arm新一代的Cortex-M33的內(nèi)核引入到STM32的平臺中，確保所有的功能應(yīng)用起來，可以集成到ST的整個芯片系統(tǒng)中，同時在安全性上也有所提升，達(dá)到Level 2級別的安全水平。而U5是新一代的低功耗旗艦型平臺，因此未來的產(chǎn)品型號將繼續(xù)拓寬，Memory的大小會實現(xiàn)從最低的128K～最大4M的覆蓋，實現(xiàn)Level 3級別的安全功能。例如在對邊界攻擊的抵御方面，U5中新AES的模塊單元相比傳統(tǒng)的L5中的普通AES可以實現(xiàn)更好的安全功能。
據(jù)曹錦東介紹，4M的STM32U5更多地面向的是可穿戴手表類產(chǎn)品，因為可穿戴手表應(yīng)用需要擴(kuò)展更多的Memory來存放可以即時加載的程序，在運行時將這部分?jǐn)?shù)據(jù)加載到MCU中運行。而更小Memory的U5則面向一些程序量并不是很大、對于成本更敏感一些的IoT的應(yīng)用。
除了優(yōu)秀的安全功能設(shè)計外，ST也為用戶提供了支持安全啟動、固件加載和更新的相應(yīng)參考代碼。如果用戶需要TF-M Trusted Firmware for Cortex-M架構(gòu)，STM32U5也支持在在軟件權(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)可以提供給用戶，其中也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。
曹錦東表示，STM32U5的系統(tǒng)復(fù)雜性比以往更高，要保持同樣的主頻上實現(xiàn)更低功耗其實是很難的挑戰(zhàn)。從STM32L1到L0、L4、L5，工藝的提升雖然會帶來動態(tài)功耗的降低，但對于靜態(tài)功耗而言卻是相反的作用。所以不能只靠工藝，STM32U5上對于外設(shè)進(jìn)行了更精確的設(shè)計，實現(xiàn)不僅僅是內(nèi)核上，更是系統(tǒng)層面上的整體功耗的優(yōu)化。STM32U5上凝結(jié)了ST超過十年的MCU低功耗設(shè)計經(jīng)驗，是其經(jīng)驗一步步疊加的成果。
從ULP的跑分中我們可以看到，在迄今為止的所有M33內(nèi)核的MCU新品中，STM32U5實現(xiàn)了對于M33內(nèi)核的設(shè)計初衷上更好的詮釋和表達(dá)，做到了性能和功耗的更優(yōu)解，同時也在安全功能上通過自己獨有安全技術(shù)的添加實現(xiàn)了更好的表現(xiàn)。用戶在STM32U5的未來實際應(yīng)用的表現(xiàn)，同樣值得我們期待。
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“超低功耗產(chǎn)品線一直以來是STM32非常重要的產(chǎn)品線，是戰(zhàn)略性的產(chǎn)品線。”意法半導(dǎo)體副總裁，中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東先生表示，“STM32U5這一產(chǎn)品線在ST內(nèi)部也花了漫長的時間在研發(fā)，因為不僅僅有新的工藝的創(chuàng)新、還有IP包括整個架構(gòu)的新設(shè)計。”
關(guān)注ST的可以注意到，MCU產(chǎn)品家族近年來來一個方向是在做無線集成方向上鋪展；另一個方向是垂直的發(fā)展：向上的多核MPU和向下的G0……而隨著新一代低功耗內(nèi)核M23和M33的發(fā)布之后，使用低功耗M核的MCU產(chǎn)品在性能和安全性上將會獲得躍升。
ST在沉淀了足夠的技術(shù)創(chuàng)新和安全功能積累之后，帶來新一代的超低功耗MCU的重大革新——STM32U5，這是其MCU產(chǎn)品線在主流低功耗產(chǎn)品方向上的一個重要突破。STM32U5達(dá)到了240 DMIPS/651Coremark的表現(xiàn)，遠(yuǎn)超之前的L4 和L5產(chǎn)品。并且它是ST在Cortex-M33內(nèi)核上更為完整的產(chǎn)品表達(dá)，未來也將在從低到高的不同memory上進(jìn)行型號擴(kuò)充。
在外設(shè)與CPU之間新增一個“緩沖區(qū)”
作為超低功耗的旗艦級產(chǎn)品，STM32U5在低功耗上實現(xiàn)了新的技術(shù)創(chuàng)新——低功耗后臺自主模式（Low Power Background Autonomous Mode，簡稱LPBAM）。首先是在CPU和外設(shè)之間新增了一塊SRAM作為數(shù)據(jù)的緩存，給CPU處理外設(shè)數(shù)據(jù)的流程增加了一個緩沖。
據(jù)意法半導(dǎo)體中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年分享，“當(dāng)芯片進(jìn)入一個低功耗模式時，CPU是需要斷電的，但產(chǎn)品外面可能還會搭載很多的傳感器。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能會實時地輸入到主控芯片這一側(cè)來，通常情況下，這個傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是需要系統(tǒng)或CPU來進(jìn)行一些操作，做一些數(shù)據(jù)處理的工作，但在STM32U5這款產(chǎn)品上，設(shè)置了一個獨特的外設(shè)，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC等等這些外設(shè)上的數(shù)據(jù)，在不喚醒CPU的情況下，搬運至單片機(jī)內(nèi)部一塊SRAM4，大概有16kB的空間，當(dāng)這些數(shù)據(jù)累計到一定數(shù)量時，我們再喚醒Cortex-M33內(nèi)核進(jìn)行一次性的批處理?！?/span>
據(jù)悉，SRAM4具有單獨的供電開關(guān)，在其他SRAM關(guān)閉時候可以單獨進(jìn)行供電。通過這16KB的SRAM4來實現(xiàn)了傳感器等外設(shè)的一個數(shù)據(jù)緩沖，使得STM32U5的CPU喚醒次數(shù)相比傳統(tǒng)低功耗MCU的設(shè)計實現(xiàn)了進(jìn)一步的降低，據(jù)稱根據(jù)STM32U5與經(jīng)典數(shù)據(jù)采集以及喚醒處理的模型的對比，差不多可以將CPU喚醒的次數(shù)變成原來的1/10。
更極致的功耗管理：豐富的功耗模式 省電技巧
有了16KB的SRAM4的增加，STM32U5實現(xiàn)了更豐富靈活的低功耗模式配置。從shutdown到Runmode之間，還有4中STOP模式和兩種standby模式可以供用戶根據(jù)不同工作狀態(tài)進(jìn)行配置。據(jù)彭祖年分享，STM32U5上還有諸多省電的配置小技巧：譬如通過內(nèi)部的SMPS去轉(zhuǎn)換VDD和CPU內(nèi)核供電的電壓，讓CPU供電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到更優(yōu)的動態(tài)功耗，在不同的功耗模式下切換也可以達(dá)到微秒級。
另外值得一提的是STM32U5內(nèi)部的Flash是雙bank設(shè)計的，用戶可以將一個不常用的bank在低功耗模式下斷電，這樣又可以節(jié)省40微安左右；但當(dāng)指令跳轉(zhuǎn)到被斷電的Flash Bank上時，系統(tǒng)是可以自動喚醒的，只需要等待5微秒的延時。通過損失5微秒讀取速度來獲得45微安的功耗節(jié)省，這也是STM32U5上的一個技巧。
4項ULPBENCH節(jié)能成績單
對于MCU低功耗的表現(xiàn)，僅僅關(guān)注CPU的耗電，或者僅僅關(guān)注某一個狀態(tài)下MCU的耗電，都不能完整的反映出一個MCU整體的功耗表現(xiàn)。
彭祖年表示，如何評估MCU的功耗是一個比較系統(tǒng)的問題，ST展示了關(guān)于ULP benchmark很多不同分類的評估，每一項對于芯片低功耗表現(xiàn)的關(guān)注點都不太一樣。有的是系統(tǒng)運行時的 功耗，有的是系統(tǒng)睡眠及喚醒時的功耗，還有一些是關(guān)注芯片外設(shè)的功耗。因為不止是CPU需要耗電，外設(shè)、包括整個時鐘管理單元等等都需要耗電。根據(jù)不同客戶的運營場景，實際的功耗結(jié)果是千差萬別的。所以NBC官網(wǎng)上做了幾種不同模型，用戶可以參照這些模型來評估自己的應(yīng)用場景的總的功耗表現(xiàn)是什么樣的。
在TrustZone基礎(chǔ)上集成ST獨有安全功能
Arm更新的Cortex-M33的其中一大特性就是引入了成熟的TrustZone的技術(shù)，在安全功能上實現(xiàn)了加強(qiáng)，因此采用M33架構(gòu)的STM32U5天生就具備了隔離架構(gòu)帶來的高安全性。而僅僅內(nèi)核的隔離或TrustZone的支持是不夠的，在STM32U5上還增加了內(nèi)部存儲、總線和外設(shè)上都做了個禮配置的設(shè)計。
據(jù)彭祖年介紹，“除了隔離之外，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(hù)狀態(tài)機(jī)。存儲保護(hù)也做了全新的更新，針對內(nèi)部存儲防篡改，增加了OTP這樣的空間，還有更多的主動式防侵犯的active tamper的設(shè)計。在這樣的完整的安全設(shè)計下，我們的Secure Boot安全啟動也可以讓用戶的安全架構(gòu)設(shè)計能夠獲得不可變的穩(wěn)定的信任根。最終，我們的產(chǎn)品可以通過PSA Level3的認(rèn)證。這也是目前所有STM32產(chǎn)品當(dāng)中首款可以通過三級安全認(rèn)證的產(chǎn)品?！?/span>
另外必不可少的，STM32U5也支持端到端的安全固件燒錄工具鏈，確保用戶在第三方進(jìn)行生產(chǎn)燒錄時的安全性。
據(jù)曹錦東分享，STM32U5在安全性上的提升，將有望實現(xiàn)對于可穿戴設(shè)備支付功能更好的支持。
從低到高的低功耗應(yīng)用覆蓋
STM32L5算是基于U5和L4之間的橋梁，它的意義是首先將Arm新一代的Cortex-M33的內(nèi)核引入到STM32的平臺中，確保所有的功能應(yīng)用起來，可以集成到ST的整個芯片系統(tǒng)中，同時在安全性上也有所提升，達(dá)到Level 2級別的安全水平。而U5是新一代的低功耗旗艦型平臺，因此未來的產(chǎn)品型號將繼續(xù)拓寬，Memory的大小會實現(xiàn)從最低的128K～最大4M的覆蓋，實現(xiàn)Level 3級別的安全功能。例如在對邊界攻擊的抵御方面，U5中新AES的模塊單元相比傳統(tǒng)的L5中的普通AES可以實現(xiàn)更好的安全功能。
據(jù)曹錦東介紹，4M的STM32U5更多地面向的是可穿戴手表類產(chǎn)品，因為可穿戴手表應(yīng)用需要擴(kuò)展更多的Memory來存放可以即時加載的程序，在運行時將這部分?jǐn)?shù)據(jù)加載到MCU中運行。而更小Memory的U5則面向一些程序量并不是很大、對于成本更敏感一些的IoT的應(yīng)用。
除了優(yōu)秀的安全功能設(shè)計外，ST也為用戶提供了支持安全啟動、固件加載和更新的相應(yīng)參考代碼。如果用戶需要TF-M Trusted Firmware for Cortex-M架構(gòu)，STM32U5也支持在在軟件權(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)可以提供給用戶，其中也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。
?總 結(jié)?
曹錦東表示，STM32U5的系統(tǒng)復(fù)雜性比以往更高，要保持同樣的主頻上實現(xiàn)更低功耗其實是很難的挑戰(zhàn)。從STM32L1到L0、L4、L5，工藝的提升雖然會帶來動態(tài)功耗的降低，但對于靜態(tài)功耗而言卻是相反的作用。所以不能只靠工藝，STM32U5上對于外設(shè)進(jìn)行了更精確的設(shè)計，實現(xiàn)不僅僅是內(nèi)核上，更是系統(tǒng)層面上的整體功耗的優(yōu)化。STM32U5上凝結(jié)了ST超過十年的MCU低功耗設(shè)計經(jīng)驗，是其經(jīng)驗一步步疊加的成果。
從ULP的跑分中我們可以看到，在迄今為止的所有M33內(nèi)核的MCU新品中，STM32U5實現(xiàn)了對于M33內(nèi)核的設(shè)計初衷上更好的詮釋和表達(dá)，做到了性能和功耗的更優(yōu)解，同時也在安全功能上通過自己獨有安全技術(shù)的添加實現(xiàn)了更好的表現(xiàn)。用戶在STM32U5的未來實際應(yīng)用的表現(xiàn)，同樣值得我們期待。
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