2018年底，意法半導體(ST)在其STM32產(chǎn)品家族中新增了STM32G0系列微控制器。此舉向外界釋放出了一個很明確的信號——STM32 MCU從“F”系列到“G”系列的主流型系列升級之旅，已經(jīng)全面開啟。未來，越來越多“G”字輩新微控制器系列的涌現(xiàn)，將不是一件令人感到意外的事件。
果然，半年之后，STM32G4系列來了。
新人新氣象
ST官方將G4系列定位于“主流型MCU”系列，可視為STM32F3/STM32F1的升級之作，但又保持了高度兼容性。在產(chǎn)品設計上彌補了前者的性能和外設資源上的不足，以適應細分市場發(fā)展需要的同時，又讓開發(fā)者有機會將以前的設計平滑過渡到新一代MCU平臺上，從而在電機控制、工業(yè)設備、儀器與測量、高端消費類產(chǎn)品、數(shù)字電源(高頻數(shù)字開關電源、功率因數(shù)補償)等領域幫助用戶實現(xiàn)差異化的性能和更高的開發(fā)效率。
STM32G4系列基于170MHz Arm Cortex-M4高速內(nèi)核打造，具有浮點單元和DSP擴展指令集支持功能，性能測試成績213DMIPS和550CoreMark。之所以不采用Cortex-M33內(nèi)核，意法半導體微控制器事業(yè)部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理、數(shù)字電源及電機控制市場經(jīng)理Jean-Marc Mathieu給出的解釋是M33雖然具備更強的安全性，但成本會比M4更高，而且所有的內(nèi)核、總線、外設、連接都要支持Arm TrustZone架構(gòu)，考慮到設計的復雜度和上市時間，ST方面決定還是繼續(xù)沿用M4內(nèi)核。
意法半導體微控制器事業(yè)部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理、數(shù)字電源及電機控制市場經(jīng)理Jean-Marc Mathieu
值得一提的是，除了繼續(xù)保留此前使用過的用來提升存儲器-高速緩存動態(tài)和靜態(tài)訪存性能的ART加速器和關鍵程序加速(CCM-SRAM)之外，STM32G4系列還首次引入了兩個新的硬件數(shù)學加速器：濾波算法加速器(Filter-Math Accelerator, FMAC)和坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算(CORDIC)專用引擎，計算效率相比Arm內(nèi)核高出至少3倍。例如電機控制應用中的旋轉(zhuǎn)和矢量三角法，以及一般的對數(shù)、雙曲線和指數(shù)函數(shù)、信號調(diào)理IIR/FIR濾波算法或數(shù)字電源3p/3z控制器，以及卷積和相關函數(shù)等矢量函數(shù)。此外，這種減負方法還可以讓內(nèi)核釋放更多的資源，用于接收更多的傳感數(shù)據(jù)和控制其它用戶功能。
引入如此多加速器的目的肯定是希望提升系統(tǒng)級性能。但Jean-Marc Mathieu認為，系統(tǒng)級性能不僅僅取決于CPU的運算速度和指令處理效率，也和外設息息相關。因此STM32G4系列在模擬外設方面最多集成了25顆芯片，包括一個具備12個獨立通道，每個通道分辨率184ps，有溫漂和電壓漂移自補償功能的高分辨率定時器；5個16位分辨率，有硬件過采樣功能的400萬次/秒12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)；6個高速、高增益帶寬運算放大器，內(nèi)部1%增益設定可實現(xiàn)；7個1500萬次/秒12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；以及7個傳播延遲為16.7ns的比較器。
為了使開發(fā)人員能夠應對最新的網(wǎng)絡安全挑戰(zhàn)，G4系列設計了可擴展的安全存儲區(qū)域用于存放密鑰等敏感信息，并提供AES-256加密引擎、唯一設備ID碼和硬件隨機數(shù)生成器(TRNG)。此外，雙Bank Flash機制也是創(chuàng)新，用戶可以在一個Bank上運行已經(jīng)加載的應用程序，在另一個Bank上在線加載新版本固件程序，當升級加載完成后，只要設置一個寄存器就可以實現(xiàn)瞬間切換這兩個Bank間的地址，從而實現(xiàn)在線固件升級。
運行模式下，G4系列具備160μA/MHz的動態(tài)能效，雖然比不上STM32低功耗產(chǎn)品線，但相對上一代STM32F3仍提升了2.7倍，且比傳統(tǒng)DSP產(chǎn)品有至少兩倍以上的提升。這在數(shù)字電源應用場景中極為關鍵，因為要實現(xiàn)95%甚至98%以上的轉(zhuǎn)換效率，數(shù)字器件上的能耗損失就不能被忽略。
ST將G4系列計劃的152款產(chǎn)品分為三大產(chǎn)品線：高精度PWM型STM32G474、性能型STM32G473和入門型STM32G431。STM32G474和STM32G473產(chǎn)品間唯一的區(qū)別就是有無高精度定時器。而入門級的STM32G4x1在性能方面并不低于前兩者，只是模擬外設方面會有些精簡。
為了輔助應用開發(fā)，STM32開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)新增了支持STM32G4 MCU的Nucleo開發(fā)板、評估板和STM32CubeG4軟件包。此外，還有一套電機控制專用的開發(fā)板和軟件開發(fā)套件，以及專為高精度定時器的使用方法量身定做的使用手冊-AN4539，詳細介紹了高精度定時器針對不同數(shù)字電源拓撲結(jié)構(gòu)的使用和配置方法。
助力數(shù)字化電源轉(zhuǎn)換
眾所周知，傳統(tǒng)的數(shù)字電源控制器大多采用“DSP+模擬”架構(gòu)，而此番STM32G4系列采用了“MCU+DSP”架構(gòu)，這是否意味著未來的數(shù)字電源控制器技術將發(fā)生重大改變？Jean-Marc Mathieu的觀點是，在“DSP+模擬”架構(gòu)中，用戶使用的主要是DSP廠商的私有內(nèi)核，相對比較封閉，資源都掌控在DSP廠商手中，但實際上用戶更愿意使用arm通用內(nèi)核，此為其一；其二，隨著工藝和性能的提升，目前MCU內(nèi)核所具備的DSP性能已經(jīng)不輸于傳統(tǒng)DSP器件，整體功耗表現(xiàn)可能還會更好。如果數(shù)字電源轉(zhuǎn)換效率想達到95-98%，那么設計者就不得不考慮核心控制器系統(tǒng)的能耗；其三，數(shù)字電源用戶在設計產(chǎn)品時，用到的產(chǎn)品不僅僅只有電源控制器，還包括人機界面等許多方面，如果還停留在傳統(tǒng)DSP的使用上，設計人員就必須為其單獨保留一套開發(fā)環(huán)境和相應的工程師團隊。但如果切換到Arm生態(tài)系統(tǒng)中，就可以在所有不同項目開發(fā)中使用同樣的工具、開發(fā)環(huán)境和使用習慣，這點非常重要。
其實早在2014年，ST就發(fā)布了面向數(shù)字電源市場的第一款產(chǎn)品STM32F334，但Jean-Marc Mathieu說那時ST是數(shù)字電源主控市場的新來者，實力還不足以撼動已經(jīng)形成壟斷之勢的DSP產(chǎn)品。隨后的5年時間內(nèi)，ST首先花費了3年時間收集客戶反饋，接著又花費了2年時間設計一個新的IP，直到STM32G4的誕生。
隨著STM32G4系列的發(fā)布，STM32產(chǎn)品線實現(xiàn)了數(shù)字電源市場高中低應用的全覆蓋。其中STM32F334采用Cortex-M4內(nèi)核，配置HRTIMer（全功能高精度定時器）v1數(shù)字及模擬部分，精度達到217ps，主要服務低端應用；STM32H743采用Cortex-M7內(nèi)核，計算能力更強，配置配置HRTIMer v1僅數(shù)字部分，精度2ns，主要服務高端應用；STM32G4系列是STM32F3的延續(xù)，可以滿足中端市場的應用。
意法半導體中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年
但意法半導體中國區(qū)微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理彭祖年強調(diào)稱，數(shù)字電源是一個統(tǒng)稱，不同的功率和拓撲對相關資源的需求肯定不同，因此G4系列的推出并不意味著對STMF334系列的全盤取代，只是做了相應提升，以便覆蓋更復雜的數(shù)字電源應用場景。