Умные часы и другие носимые смарт устройства на рекордных 120 МГц с STM32L4+

Обзор возможностей микроконтроллера, потребление 43 мкА/МГц в рабочем режиме, в режиме останова 33 нА. Встроенный графический контроллер. Высокая производительность.
2140
В избранное

Выпускаемые сегодня новые микроконтроллеры STM32L4+ представляют собой первое семейство с высоким показателем теста ULPMark* (более 200), несмотря на свои 640 КБ SRAM,  2 МБ  FLASH и ядро Cortex-M4, работающее на частоте 120 МГц. Это делает семейство одним из лучших по соотношению потребляемая мощность/ производительность для такого рода ультрамаломощных MCU. Официально известные как STM32L4Rxxx и STM32L4Sxxx, микроконтроллеры STM32L4+ включают в свою структуру графический контроллер Chrom-GRC и контроллер дисплея MIPIDSI**. Это объясняет, почему новая архитектура нацелена на такие приложения как умные часы и другие носимые смарт устройства на фоне множества таких изделий, как промышленные датчики, счетчики, приборы для домашней автоматизации и устройства для медицинских приложений.

Умные часы и другие носимые смарт устройства на рекордных 120 МГц с STM32L4+

Классическое семейство микроконтроллеров STM32L4 является фаворитом среди производителей, которые хотят использовать множество датчиков, сохраняя при этом потребление очень низким.

Один из примеров - монитор сердечного ритма (пульсометр) от Valencell,  который оказался очень популярным на ST конференции разработчиков в 2016 году, потому что он мог работать с алгоритмами слияния сенсорной информации, используя данные от Sensor Tile Board и помещался, при этом, в маленький браслет.

Таким образом, микроконтроллеры STM32L4 в настоящее время входят в пятерку лучших в зале славы тестов  ULPMark, а новые микроконтроллеры STM32L4+ являются уникальными, потому что они сохраняют ту же философию, сосредоточенную на крайней эффективности, оказываясь на поверку  еще более производительными  благодаря нескольким оптимизациям.

*   Ultra-Low Power microcontroller efficiency test suites

** Mobile Industry Processor Interface  Display Serial Interface 

Как работает Chrom-GRC

Одна из оптимизаций касается разновидности графического процессора Chrom-GRC (Graphics Resource Cutter). В двух словах, это модуль управления графической памятью, который настолько умен, что может уменьшить размер буфера кадра на 20%, если устройство не использует прямоугольный дисплей. Все очень просто. Буфер кадра - это часть ОЗУ, в которой сохраняется значение цвета для каждого пикселя, который пользователь будет видеть на экране. Можно представить это как двоичное представление изображения для последующего отображения до того, как система преобразует его в видеосигнал и отправит его на экран. Мастерство Chrom-GRC заключается в его способности адаптировать эти данные к форме дисплея, чтобы хранить только видимые пользователю пиксели, автоматически отбрасывая те, которые не могут отображаться на экране. При этом можно сэкономить значительные ресурсы.            

Как работает Chrom-GRC

Если взять в качестве примера вышедшие в этом году дисплеи смарт-часов с диагональю примерно 1,2-дюйма и разрешением 390 х 390, то мы можем получить на них изображение, состоящее из 152 100 пикселей (т.е. 3902). Так как эти дисплеи имеют глубину цвета 24 бита, то в конечном итоге мы получаем размер необработанного изображения 3650400 бит (152100 х 24) или буфер кадра около 446 КБ (3650400/8/1024). Однако, поскольку микроконтроллеры в этих смарт-часах не имеют системы интеллектуального управления памятью, подобной той, которая заложена в STM32L4+, они хранят все изображения, включая биты, которые не видны пользователю,  например,  из-за круглой формы дисплея и  могут быть удалены. Учитывая, что для большинства систем также требуется 256 КБ для работы приложений, легко понять, почему конкурирующие MCU очень часто включают 1 МБ SRAM.

Как микроконтроллеры STM32L4+ управляют дисплеями

Если мы запустим ту же симуляцию, что и выше, но отправим изображение в новый сопроцессор Chrom-GRC, система отличит пиксели, видимые пользователю от тех, которые не видны, а затем приступит к удалению последних, что и сократит  буфер кадра до 20%. Следовательно, изображение образ кадра в памяти больше не будет весить 446 КБ, а сократится до 357 КБ. Так же, как и в случае с STM32L4, в STM32L4+ встроен Chrom-ART ускоритель (DMA2D), который оптимизирует определенные графические вычисления. Используя графический ускоритель Chrom-ART, можно освободить основной процессор от некоторых повторяющихся 2D-графических операций, таких как 2D-копии, прозрачность или альфа-смешивание. При этом другие задачи, такие, как преобразования в пиксельные форматы, выполняются в два раза быстрее, чем в случае выполнения их центральным процессором.

Затем MCU отправляет кадр на дисплей через контроллер. STM32L4 + по-прежнему включает в себя контроллер TFT, но ST также интегрировал контроллер MIPI DSI для инженеров, желающих использовать более современный интерфейс. Последовательный интерфейс дисплея (DSI) широко распространен в мобильных устройствах, потому что он использует быстрый с высоким разрешением поток данных для связи с микросхемой экрана.                               

Контроллер  MIPI DSI в STM32L4 + использует два канала со скоростью передачи до 500 Мбит/сек каждый. В результате хост микроконтроллер может управлять дисплеями с более высоким разрешением, требуя при этом меньше энергии и меньшее количество контактов. Кроме того, снижается уровень электромагнитных помех. Все это возможно, потому что система выполняет последовательную передачу данных пикселей и команд в едином физическом потоке для оптимизации их транспортировки.

Объективно более эффективное решение

По своей сути, MCU STM32L4+ является ультрамаломощным компонентом. Архитектура таких микроконтроллеров требует всего 43 мкА/ МГц, а в режиме останова (shutdown) и вовсе 33 нА, что впечатляет. Кроме того, ST сделала структуру более гибкой, предложив для оптимизации энергопотребления независимо от активности пользователя несколько режимов сна, ожидания и методов остановки. Например, режим Stop 2 может поддерживать активной всю память SRAM или закрыть 384 КБ (например, для буфера кадров), чтобы использовать только 256 КБ, предназначенные для приложений и сбора данных с датчиков. Следовательно, если экран и буфер кадра выключены, как это часто бывает, когда умные часы неактивны, в этом режиме ток потребления снизится до 2,8 мкА. Кроме того, поскольку пробуждение из режима остановки занимает всего 5 мкс, то для пользователя никаких заметных потерь не будет.

Тем не менее, говорить об энергопотреблении - это одно, а другое – предоставить валидную информацию от объективного источника. Поэтому ST с гордостью сообщает, что семейство STM32L4 + имеет 233 балла в ULPMark CP (основной профиль) EEMBC.

Поскольку никакой другой микроконтроллер в базе данных не является близким к его конфигурации, сравнение затруднено. Тем не менее, мы видим, что некоторые конкурирующие чипы всего лишь со 128 КБ SRAM и ядром Cortex-M4 на частоте 52 МГц позволяют получить только 203 балла в ULPMark (больше - лучше), а MCU с самой высокой «Retantion SRAM» - всего лишь 72 очка. Аналогично, STM32L4 + имеет высокий балл теста ULPMark PP (Peripheral Profile) 56.5, но так как 5 лучших микроконтроллеров в этом тесте - MCU STM32L4, это, в конечном итоге, означает, что ST побил свой собственный рекорд и еще дальше продвинулся в таблице лидеров.

Испытывая мощь STM32L4 + ... Сейчас!

Наверное, невозможно исчерпывающе перечислить в одном обзоре все функции, которые делают архитектуру STM32L4 + такой удачной. Например, по сравнению с MCU STM32L4, которые работают на частоте 80 МГц, новое семейство может работать до 120 МГц, что полностью перемещает его архитектуру в другую лигу. STM32L4 + также является первой архитектурой STM32, предлагающей два Octo SPI-порта, поддерживающей NOR Flash (включая Executive-In-Place- выполнение на месте) и HyperbusTM RAM. В конечном итоге, несмотря на то, что его типичное потребление составляет всего лишь 43 мкА / МГц, MCU все еще может достичь 410,32 балла в Coremark и 150 DMIPS при работе на своей максимальной частоте.

Лучший способ начать эксперименты с STM32L4 + - это приобрести одну из плат: NUCLEO-L4R5ZI,  STM32L4R9I-DISCO или оценочную плату STM32L4R9I-EVAL. Каждая из них включает наиболее мощную и многофункциональную версию архитектуры. Таким образом, инженеры и энтузиасты могут начать разработку своих приложений и дополнительно протестировать потребление энергии и, вообще, провести больше тестов ULPMark, используя недавно запущенный STM32 Power Shield (X-NUCLEO-LPM1A). После этого можно будет решить, какой именно STM32L4 + MCU подходит для конкретной задачи, поскольку эти микроконтроллеры отличаются друг от друга количеством выводов, емкостью Flash памяти и наличием или отсутствием определенных функций.

Кроме того, поскольку все они pin-to-pin совместимы, благодаря STM32CubeMX и STM32L4Cube переход от одного микроконтроллера к другому достаточно прост. 

STM32CubeMX и STM32L4Cube

Микроконтроллеры семейство STM32L4 +, а также отладочные наборы и платы на их основе в ближайшее время будут доступны для приобретения в компании Терраэлектроника.

Статью подготовил и перевел
Шрага Александр,
a.shraga@terraelectronica.ru

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
STM32L4R9I-EVAL
STM32L4R9I-EVAL
STMicroelectronics
Арт.: 2591601 ИНФО PDF RD
Доступно: 48 шт.
Выбрать
условия
поставки
The STM32L4R9I-EVAL evaluation board is designed as a complete demonstration and development platform for STMicroelectronics' Arm® Cortex®-M4 core-based STM32L4R9AI microcontroller
STM32L4R9I-EVAL от 38557,90
48 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
NUCLEO-L4R5ZI
NUCLEO-L4R5ZI
STMicroelectronics
Арт.: 2591603 ИНФО PDF
Доступно: 605 шт.
Выбрать
условия
поставки
Отладочная плата на основе высокопроизводительного микроконтроллера серии STM32L4+ с отличными показателями теста ULPMark и продвинутыми графическими возможностями.
NUCLEO-L4R5ZI от 2546,46
605 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
STM32L4R9I-DISCO
STM32L4R9I-DISCO
STMicroelectronics
Арт.: 2591608 ИНФО PDF RD
Доступно: 160 шт.
Выбрать
условия
поставки
Демонстрационно-отладочная платформа Discovery на основе микроконтроллера STM32L4R9AI.
STM32L4R9I-DISCO от 10749,80
160 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()