迄今全球性能最高、基於Cortex-M的微控制器：STM32F4系列

意法半導體產品行銷經理 楊正廉。

ARM架構的MCU/eMPU近3年來在全球市佔率飛快的提升，基於ARM Cortex-M架構的MCU供應商族繁不及備載，如何以高效能、高附加價值兼顧低功耗、低成本獲得業界青睞，就成為MCU供應商的決勝關鍵…

意法半導體(簡稱ST)是跨國性的半導體公司，轄下劃分為無線通訊(Wireless)、車用電子暨消費性電子╱電腦與通訊設施(Automotive,Comsumer ,Computer & Communication Infrastructure；ACCI)以及工業與多區段市場(Industrial and Multi-Segment Sector)3大事業群，總部位於瑞士日內瓦，包含ST-Ericsson全球員工數超過53,000人，2010年營收為103.5億美元，是歐洲第1大半導體公司，以及全球第5大半導體公司。ST擁有義大利Agrate Brianza、Catania、Crolles、Rousset、法國Tours、新加坡等地共15座晶圓廠，另外在大陸、馬來西亞、馬爾他、摩洛哥、菲律賓和新加坡設有組裝測試廠。在全球36個國家設有78個銷售處。

意法半導體產品行銷經理楊正廉先生，首先引用Semicast Research市調資料指出，在全球32/64bit MCU/eMPU市佔率中，ARM架構的MCU/eMPU，從2007年13.6%成長到2010年的23.5%，而x64/x86 MCU/eMPU市佔率從2007年的22.5%到2010的22.7%維持平盤，市調機構均樂觀估計2011年ARM架構仍會維持強勁而穩健的成長。同時ARM授權的Cortex-M系列MCU，在2010年全球市場總銷售量達1.44億顆，其中STM32出貨量累計到2011年1Q為止，突破7,000萬顆，佔全球Cortex-M MCU累積出貨量45%；另外在Google搜尋關鍵字/關鍵頁面的數量上，STM32被搜尋數，從2009年起也超越其他供應ARM Cortex-M的競爭供應商。

楊正廉表示，忘掉傳統業界對MCU做8/16/32bit位元寬度上的區分，ST所提供的STM32架構，將以高效能與低耗能兼顧、單一32位元ARM Cortex-M0/M3/M4架構來一統天下，它將涵蓋所有8/16/32bit的嵌入式╱消費型╱工控應用。ARM Cortex-M4的超低功耗微核心、內建浮點運算處理器(FPU)、可程式化中斷處理機制，以及數位訊號處理(Digital Signal Processing；DSP)所需要的SIMD單週期累乘加電路(MAC)，可提供較Cortex-M3在DSP與MP3播放效能提升50%，也比同時脈ARM9E微核心架構快上5~25%。

而ST最新推出的STM32 F4採ARM Cortex-M4微核心架構，工作電壓為1.7V~ 3.6V，待機功耗最低僅1μA(RTC)；採192K SRAM與1MB Flash記憶體容量設計，具備3組12bit ADC與兩組全雙工(Full Duplex I2S)週邊介面設計，並提供易於使用與開發的C語言工具套件與函式庫支援。同時STM F4提供超過30種規格版本，並與原先STM32 L1、F1、F2全系列MCU達成腳位相容，使開發商原先針對STM32 L1、L2、F2設計的產品，能夠無縫的移轉╱升級到STM F4 MCU以加快執行效能與多媒體視訊╱音訊的處理速度。

多重創新技術強化MCU運算效能與應用

楊正廉指出，STM32 F4是目前世界上最高效能的Cortex-M微核心架構的MCU，它以領先業界的168MHz高運作頻率，創下210 DMIPS運算效能，以及363 Coremark的效能評分，均較既有提供Cortex-Mx微架構的競爭對手Freescale、Renesas、Nuvoton等快上許多。

他進一步提到STM F4提供超越業界相同架構性能的技術關鍵，首先是ST’s ART Accelerator技術，在連接到Cortex-M4核心電路的雙通道、4線交叉的128bit SRAM指令提取╱執行匯流排設計，以及8通道、128bit寬度的Flash5快閃記憶體匯流排之間；透過ART Accelerator提供匯流排智能仲裁取可調變的存取優化設計，使得Flash記憶體能在168MHz全速運作時脈下，依然達到零等待狀態(0-wait state)的高速資料讀寫作業。

其次是STM32 F4採取32位元多重AHB匯流排(Multi-AHB Bus Matrix)陣列化設計，可同時應付MCU核心MP3解碼、資料解壓到112KB SRAM、DMA直接記憶體存取到I2S、以及從Flash記憶體抓取圖像像素資料以DMA方式到顯示控制電路的加速處理等作業。

在低功耗設計方面，楊正廉認為真正的低功耗MCU，不僅僅只是當行動裝置進入待機或睡眠模式的低功耗表現，因為此時裝置的軟體是停止執行的狀態，應該連同該MCU在與全速運轉模式下功耗並參照其所佔的時間比例來綜合評斷。他認為其他競爭對手宣稱的低功耗數值，僅有在整個系統約90%時間均處於不做任何事情的低功耗模式下，才能有這樣的表現。而STM32 F4從真正的源頭，也就是從MCU的核心電壓與週邊驅動電壓方面著手，STM32 F4系列採用90奈米製程技術，MCU核心電壓設計僅1.2V，連週邊驅動電壓(Vdd)也降至1.7V，在ART加速技術降低Flash記憶體存取的等待週期下，待機功耗僅1μA(RTC時鐘供電)，加上4KB SRAM供電也僅需2μA。

在週邊搭配上，對外可連接IEEE 1588v2 Ethernet乙太網路控制標準，支援雙USB OTG與兩個全雙工I2S週邊，並內建電源監控、2.44MSPS ADC類比電壓轉換與待機功耗僅1μA的硬體編碼╱解碼引擎線路。另外，STM32 F4 MCU內建的192KB SRAM與1MB Flash容量，足以儲存大多數內嵌式╱消費性電子產品操作所需的韌體、軟體、RTOS作業系統，以及與各種軟體應用的協定╱堆疊層，而無需額外的記憶體；同時提供4KB電池供電維持內容的SRAM設計，可作為儲存資料、參數與設定備份之用。另外528bytes OTP唯讀記憶體的設計，可提供獨一無二的ID碼，供Ethernet MAC乙太網路控制器做網路封包編碼控制，或編解碼引擎運作時起始種子值之用。

全系列封裝腳位高相容性 豐富的軟硬體開發套件

楊正廉強調，目前STM32 L1/F1/F2/F4全系列超過250種版本，均使用相同的開發軟體套件，並且在相同封裝的版本維持腳位相容的設計。STM32 F4目前有512KB Flash與1MB Flash兩種快閃記憶體容量，以及64pins LQFP/CSP、100pins LQFP、144pin LQFP與176pin LQFP/UFBGA等4種封裝，目前提供STM32F407VE、STM32F407ZE、STM32F407IE、STM32F417VE、STM32F417ZE、STM32F417IE；STM32F405RG、STM32F405VG、STM32F405ZG、STM32F407VG、STM32F407ZG、STM32F407IG、STM32F405ZG；STM32F415RG、STM32F415VG、STM32F415ZG、STM32F417VG、STM32F417ZG、STM32F417IG等共18種版本，以提供Ethernet、2xUSB OTG、Camera I/F或1xUSB OTG，以及有無Encryption編解碼引擎等的規格差異。

至於STM32開發工具與軟體部份，也是相當齊全且具備延展性。ST提供全系列產品的工程評估板(EVB)，例如349美元的STM3240G-EVAL，以及14.9美元的STM32F4 DISCOVERY偵錯附加套件，支援所有對外設計介面並可連接任何週邊，ST提供的開發工具，對開發工程原型機相當具備成本效益；另外業界也可選擇目前在ARM MCU產業生態上所使用的其他廠家的IDE開發套件，例如RAISONANCE、Aiji、Hitex、IAR System、Atollic、iSystem、Green Hills、KEIL、LAUTERBACH、SIGNUM、TASKING、expresslogic與CMX System等廠商產品可供選擇。

楊正廉總結STM32 F4系列MCU的特點，它是全球最高效能的Cortex-M系列微控制器，STM32 F4的家族把STM32擴展到超過250個以上的家族成員╱產品版本。而全球幾乎每兩顆Cortex-M微控制器，就有1顆是ST所生產的STM32微控制器。

目前STM32系列MCU普遍應用於汽車電子、智慧電網、家用網路連結等，客戶已實作的產品有POS條碼閱讀器╱進銷存管理系統、工業自動化與太陽能光電板、交通運輸、醫療電子、智慧建築、居家保全/火警偵測裝置、測試與量測儀器、消費性電子裝置、通訊產品，以及應用在觸控人機介面、網路閘道器、慢跑健身器、LED電視背光模組、Wi-Fi無線FullHD高清傳輸裝置等應用。楊正廉說，目前廠商正積極開發雲端方面的應用，未來將會有更多產品使用STM32系列微控制器。