在中國「三網融合」大勢所趨之下，未來幾年，中國數位電視、電子遊戲機等數字消費電子產品和高端家用電器市場需求旺盛，再加之工業領域持續的強勁增長，將極大拉動市場對16、32位高端MCU的需求。繼Freescale、NXP陸續推出基於ARM Cortex-M4內核的微控制器產品之後，ST日前又點燃了「一把熊熊烈火」，把本已混戰不堪的32位MCU市場攪得更加火熱。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/322395.htm史上最強M4微處理器如何打造?
ARM嵌入式應用市場經理羅霖此前在接受本刊採訪時就曾表示，現在MCU產品需求和市場挑戰，首先在於市場需要具備更高性能的低功耗產品，具備增強的連接性(例如接入USB, Ethernet, 802.15, NFC等);使代碼重用的利用率更高;處理和連接能力增強的模擬設備。其次，在無線傳感器、引擎控制和智能電錶上使用的MCU產品需具有更高能效;而隨著設計出的產品性能越來越複雜，對於內存和頻率的要求也會變得更高，面對這些挑戰，8/16位MCU已顯得力不從心。
低功耗和高性能始終是一對矛盾體，這是不爭的事實。正因如此，既降低功耗，又能提供可接受的性能一直是單片機供應商所面臨的技術挑戰。日前，一條來自意法半導體的新聞引起業界眾多關注——該公司推出了號稱「迄今為止，全球性能最強的基於ARM Cortex-M4內核的微控制器STM32 F4」，並將應用目標鎖定在數據交換及通信設備、醫療保健、安防監控、消費電子、工業自動化、綠色能源、白色家電等眾多領域。
ST微控制器全球市場部總監Daniel Colonna表示，STM32 F4系列引起市場關注有多方面的原因，其中最直接的原因為該系列是迄今性能最高的Cortex-M微控制器，且已全面量產。他同時還隱約批評了某些競爭對手，認為他們「只會大張旗鼓的宣傳，卻始終無法將M4產品成功量產。」
Cortex-M4處理器是由ARM專門開發的最新嵌入式處理器，用以滿足需要有效且易於使用的控制和信號處理功能混合的數位訊號控制市場。高效的信號處理功能與Cortex-M處理器系列的低能耗、低成本和易於使用的優點的組合，旨在滿足專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業自動化市場的新興類別的靈活解決方案。
ST方面稱，公司正在利用新的STM32 F4系列進一步拓寬應用範圍。STM32 F4的單周期DSP指令將會催生數位訊號控制器(DSC)市場，數位訊號控制器適用於高端電機控制、醫療設備和安全系統等應用，這些應用在計算能力和DSP指令方面有很高的要求。
STM32 F4實時處理能力
據悉，除引腳和軟體兼容高性能的F2系列外，F4的主頻(168MHz)高於F2系列(120MHz)，並支持單周期DSP指令和浮點單元、更大的SRAM容量(192 KB，F2為128 KB)、512KB-1MB的嵌入式快閃記憶體以及影像、網絡接口和數據加密等更先進的外設。Daniel Colonna稱，ST 90nm 運行性能(168MHz)和最佳動態功耗(在外設禁用時，從快閃記憶體執行Coremark評估代碼，電流消耗38.6mA，處理頻率168MHz)。
德州儀器：更看重性價比
拿M4做文章的還有TI，就在STM32 F4發布僅僅兩天之後，通過收購Luminary進入Cortext M陣營的TI也推出了自己的新型低功耗、浮點 Stellaris Cortex-M4F微控制器系列。TI Stellaris ARM Cortex-M微控制器平臺業務部總經理Jean Anne Booth對媒體說，新型Stellaris MCU是全球首批採用65nm工藝製造的基於Cortex-M的MCU，為「實現更高的速度、更大的內存甚至更低的功耗鋪平了道路。」
來自TI的消息說，Stellaris配備256KB快閃記憶體和32KB SRAM，其ARM Cortex-M4F浮點內核工作頻率最高可達80 MHz，待機電流最低至1.6 μA;兩個高性能12位模數轉換器(ADC)和三個比較器可支持混合信號應用。其中，12位ADC準確度可在1 MSPS全採樣速率下實現，不需要任何的硬體平均，從而免除了所有的性能折衷;連接選項方面，包括USB(主機、設備和On-The-Go)、UART、I2C、SSI/SPI和CAN，用於支持通信;集成型EEPROM則可支持用戶接口或配置參數的耐用型非易失性存儲，以降低系統成本。
同時，為簡化設計加快產品上市進程，TI還將免費的StellarisWare軟體預先裝入ROM以節省快閃記憶體空間，用戶也可自行通過TI官網進行下載。Stellaris微控制器套件可由5種常用IDE支持，可在10分鐘或更短時間內跨越式啟動設計。開發人員能夠輕鬆地調整設計，並在具有代碼兼容性的整個 Stellaris Cortex-M 微控制器平臺上實現代碼復用。
Jean Anne Booth強調說，TI絕非不能設計出全球性能最佳的微處理器產品。但從TI走訪大量客戶獲得的反饋卻顯示，80MHz主頻反而是性價比最好的一個平衡點。她進一步解釋稱，80MHz並帶有帶浮點運算功能，這已經要比現在的M3產品性能高很多;其次，價格是個很重要的問題，客戶不會不考慮;最後，擺在眼前的功耗問題也需要客戶「三思而後行」。因此，綜合以上種種因素，TI最終將著眼點放在80MHz的Cortex-M4F上，認為這將給客戶帶來「性價比最高」的產品。
飛思卡爾：Kinetis K50保證至少15年穩定供應
就在ST和TI兩家為自己的M4新品拼命搖旗吶喊的時候，飛思卡爾卻靜悄悄的在自己的官方微博上貼出了這樣一段話，「飛思卡爾的K50微控制器系列內置ARM Cortex M4內核，為連續監測提供多種連接選項，並為可攜式醫療設備、儀器儀表和工業測試和測量設備等應用領域的可靠模擬信號處理提供集成測量引擎。Kinetis K50系列已納入飛思卡爾產品長期供貨計劃，保證至少15年的穩定供應。」
這似乎是飛思卡爾對業界某些傳聞「最無聲，但卻最有力」的抗議。2010年6月，飛思卡爾正式推出基於ARM Cortex-M4處理器的90nm 32位MCU Kinetis系列，並計劃於2011年全面供貨。該系列採用了飛思卡爾90nm薄膜存儲器(TFS)技術和FlexMemory功能(可配置的電子可擦除、可編程、只讀存儲器EEPROM)。新MCU還使用與ColdFire+MCU相同的軟體支持工具和超低功耗靈活性，使客戶能夠輕鬆地為其最終應用選擇最佳解決方案。
從M0到M4，隨著半導體廠商紛紛加入ARM陣營，這是否意味著MCU市場的專用架構時代正在過去，一個通用的Cortext M內核的時代已經到來?這又是否符合嵌入式市場的原則?讓我們拭目以待。
二、Cortex-M4介紹
ARM公司2010年02月24日宣布推出新款嵌入式處理器Cortex-M4，這也是這種高性能低功耗嵌入式方案的第四代產品，之前三代分別是Cortex-M0/M1/M3。
Cortex-M4是一種面向數位訊號處理(DSC)和高級微控制器(MCU)應用的高效方案，具有高效率的信號處理能力，同時還有低功耗、低成本、簡單易用等特點；在CM3基礎上強化了運算能力，新加了浮點，DSP，並行計算，雙MAC等。ARM希望把Cortex-M4用於數位訊號控制市場，也就是既有微控制器的「控制」能力，又有DSP的「處理」能力，適合電機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻（能聽懂人說話的智能洋娃娃？）和工業自動化等領域。
Cortex-M4架構圖
Cortex-M4可以根據應用需要提供多種不同的製造方式，比如超低功耗版本採用臺積電180nmULL工藝生產，目標頻率150MHz的高性能版本則使用GlobalFoundries65nmLPe工藝生產，動態功耗也不超過40μW/MHz。
三、STM32 F4性能介紹
為了進一步鞏固公司在32位MCU市場的領先地位，意法半導體重磅推出了全新的STM32 F4系列高性能微控制器產品。作為STM32平臺的新產品，STM32 F4系列基於最新的ARM Cortex-M4內核，在現有的STM32微控制器產品組合中新增了信號處理功能，並提高了運行速度。
意法半導體現有的STM32產品適合各種應用領域，包括醫療服務、銷售終端設備（POS）、建築安全系統和工廠自動化、家庭娛樂等。此外，意法半導體正在利用新的STM32 F4系列進一步拓寬應用範圍。STM32 F4的單周期DSP指令將會催生數位訊號控制器（DSC）市場，數位訊號控制器適用於高端電機控制、醫療設備和安全系統等應用，這些應用在計算能力和DSP指令方面有很高的要求。新的STM32 F4系列的引腳和軟體完全兼容STM32 F2系列，如果STM32 F2系列的用戶想要更大SRAM容量、更高的性能和更快速的外設接口，則可輕鬆地從F2升級到F4系列。此外，目前採用微控制器和數位訊號處理器雙片解決方案的客戶可以選擇STM32 F4，其在一個晶片中整合了傳統兩個晶片的特性。
除引腳和軟體兼容高性能的F2系列外，F4的主頻(168MHz)高於F2系列(120MHz)，並支持單周期DSP指令和浮點單元、更大的SRAM容量(192KB，F2是128KB)、512KB~1MB的嵌入式快閃記憶體以及影像、網絡接口和數據加密等更先進的外設。意法半導體的90nm CMOS製造技術和晶片集成的ST實時自適應「ART加速器」實現了領先的零等待狀態下程序運行性能(168MHz)和最佳的動態功耗。
STM32 F4系列共有4款產品，分別為STM32F405、STM32F407、STM32F415和STM32F417。所有產品均已投入量產。
其中，STM32F405集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設，並額外內置一個USB OTG全速/高速接口。產品採用4種封裝（WLCSP64、LQFP64、LQFP100、LQFP144），內置多達1MB快閃記憶體。
STM32F407在STM32F405產品基礎上增加了多個先進外設：第2個USB OTG接口(僅全速)；1個支持MII和RMII的10/100M乙太網接口，硬體支持IEEE1588 V2協議；1個8-14位並行相機接口，可以連接一個CMOS傳感器，傳輸速率最高支持67.2Mbyte/s。產品採用4種封裝（LQFP100、LQFP144、LQFP/BGA176），內置512KB到1MB的快閃記憶體。
STM32F415和STM32F417在STM32F405和STM32F407基礎上增加一個硬體加密/哈希處理器。此處理器包含AES 128、192、256、Triple DES、HASH（MD5, SHA-1）算法硬體加速器，處理性能十分出色，例如，AES-256加密速度最高達到149.33Mbytes/s。
意法半導體還為客戶提供了廣泛的工具和軟體支持，其中既包括349美元的STM3240G-EVAL評估版，可以協助客戶評估產品的全部特性，也包括14.9美元的STM32 F4體驗套件（STM32F4DISCOVERY）用於快捷的產品評估和樣機製作。此外，STM32和ARM軟體生態系統中還有眾多開發環境可供客戶選擇。
F4系列技術優勢
• 採用多達7重AHB總線矩陣和多通道DMA控制器，支持程序執行和數據傳輸並行處理，數據傳輸速率極快；
• 內置的單精度FPU提升控制算法的執行速度，給目標應用增加更多功能，提高代碼執行效率，縮短研發周期，減少了定點算法的縮放比和飽和負荷，且準許使用元語言工具；
• 高集成度：最高1MB片上快閃記憶體，192KB SRAM，復位電路，內部RC振蕩器、PLL鎖相環、低於1μA的實時時鐘（誤差低於1秒）；
• 在電池或者較低電壓供電的應用中，且要求高性能處理和低功耗運行，STM32 F4為此帶來了更多的靈活性，以達到高性能和低功耗的目的；包括在待機或電池備用模式下，4KB備份SRAM數據被保存；在Vbat模式下實時時鐘功耗小於1μA；內置可調節穩壓器，準許用戶選擇高性能或低功耗工作模式；
• 出色的開發工具和軟體生態系統：提供各種集成開發環境、元語言工具、DSP固件庫、低價入門工具、軟體庫和協議棧。
• 優越的和具有創新性的外設：
- 互聯性：相機接口、加密/哈希硬體處理器、支持IEEE 1588 v2 10/100M乙太網接口、2個USB OTG（其中1個支持高速模式）；
- 音頻：音頻專用鎖相環和2個全雙工I2S；
- 最多15個通信接口（包括6個10.5Mbit/s的USART、3個42Mbit/s的SPI、3個I2C、2個CAN、1個SDIO）；
- 模擬外設：2個12位DAC；3個12位ADC，採樣速率達到2.4MSPS，在交替模式下達到7.2MSPS；
- 最多17個定時器：16位和32位定時器，最高頻率168MHz。
STM32F4DISCOVERY開發板介紹：
STM32F4DISCOVERY 是ST公司推出的一款針對高性能STM32F4系列設計的開發板。