2018年底,，意法半導(dǎo)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(gè)很明確的信號(hào)——STM32 MCU從“F”系列到“G”系列的主流型系列升級(jí)之旅,，已經(jīng)全面開(kāi)啟。未來(lái),，越來(lái)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(lái)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(jí)之作,，但又保持了高度兼容性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上彌補(bǔ)了前者的性能和外設(shè)資源上的不足,，以適應(yīng)細(xì)分市場(chǎng)發(fā)展需要的同時(shí),，又讓開(kāi)發(fā)者有機(jī)會(huì)將以前的設(shè)計(jì)平滑過(guò)渡到新一代MCU平臺(tái)上，從而在電機(jī)控制,、工業(yè)設(shè)備,、儀器與測(cè)量、高端消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品,、數(shù)字電源(高頻數(shù)字開(kāi)關(guān)電源,、功率因數(shù)補(bǔ)償)等領(lǐng)域幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)差異化的性能和更高的開(kāi)發(fā)效率。

　　STM32G4系列基于170MHz Arm Cortex-M4高速內(nèi)核打造,，具有浮點(diǎn)單元和DSP擴(kuò)展指令集支持功能,，性能測(cè)試成績(jī)213DMIPS和550CoreMark。之所以不采用Cortex-M33內(nèi)核,，意法半導(dǎo)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(jī)控制市場(chǎng)經(jīng)理Jean-Marc Mathieu給出的解釋是M33雖然具備更強(qiáng)的安全性，但成本會(huì)比M4更高,，而且所有的內(nèi)核,、總線(xiàn)、外設(shè),、連接都要支持Arm TrustZone架構(gòu),，考慮到設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和上市時(shí)間，ST方面決定還是繼續(xù)沿用M4內(nèi)核,。

　　意法半導(dǎo)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(jī)控制市場(chǎng)經(jīng)理Jean-Marc Mathieu

　　值得一提的是，除了繼續(xù)保留此前使用過(guò)的用來(lái)提升存儲(chǔ)器-高速緩存動(dòng)態(tài)和靜態(tài)訪(fǎng)存性能的ART加速器和關(guān)鍵程序加速(CCM-SRAM)之外,，STM32G4系列還首次引入了兩個(gè)新的硬件數(shù)學(xué)加速器：濾波算法加速器(Filter-Math Accelerator, FMAC)和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)專(zhuān)用引擎,，計(jì)算效率相比Arm內(nèi)核高出至少3倍。例如電機(jī)控制應(yīng)用中的旋轉(zhuǎn)和矢量三角法，以及一般的對(duì)數(shù),、雙曲線(xiàn)和指數(shù)函數(shù),、信號(hào)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(guān)函數(shù)等矢量函數(shù),。此外,，這種減負(fù)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(hù)功能,。

　　引入如此多加速器的目的肯定是希望提升系統(tǒng)級(jí)性能,。但Jean-Marc Mathieu認(rèn)為，系統(tǒng)級(jí)性能不僅僅取決于CPU的運(yùn)算速度和指令處理效率,，也和外設(shè)息息相關(guān),。因此STM32G4系列在模擬外設(shè)方面最多集成了25顆芯片，包括一個(gè)具備12個(gè)獨(dú)立通道,，每個(gè)通道分辨率184ps,，有溫漂和電壓漂移自補(bǔ)償功能的高分辨率定時(shí)器；5個(gè)16位分辨率,，有硬件過(guò)采樣功能的400萬(wàn)次/秒12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),；6個(gè)高速、高增益帶寬運(yùn)算放大器,，內(nèi)部1%增益設(shè)定可實(shí)現(xiàn),；7個(gè)1500萬(wàn)次/秒12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；以及7個(gè)傳播延遲為16.7ns的比較器,。

　　為了使開(kāi)發(fā)人員能夠應(yīng)對(duì)最新的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn),，G4系列設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的安全存儲(chǔ)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(shè)備ID碼和硬件隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG),。此外，雙Bank Flash機(jī)制也是創(chuàng)新,，用戶(hù)可以在一個(gè)Bank上運(yùn)行已經(jīng)加載的應(yīng)用程序,，在另一個(gè)Bank上在線(xiàn)加載新版本固件程序，當(dāng)升級(jí)加載完成后,，只要設(shè)置一個(gè)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)瞬間切換這兩個(gè)Bank間的地址,，從而實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)固件升級(jí)。

　　運(yùn)行模式下,，G4系列具備160μA/MHz的動(dòng)態(tài)能效,，雖然比不上STM32低功耗產(chǎn)品線(xiàn)，但相對(duì)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(yīng)用場(chǎng)景中極為關(guān)鍵，因?yàn)橐獙?shí)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(jì)劃的152款產(chǎn)品分為三大產(chǎn)品線(xiàn)：高精度PWM型STM32G474、性能型STM32G473和入門(mén)型STM32G431,。STM32G474和STM32G473產(chǎn)品間唯一的區(qū)別就是有無(wú)高精度定時(shí)器,。而入門(mén)級(jí)的STM32G4x1在性能方面并不低于前兩者，只是模擬外設(shè)方面會(huì)有些精簡(jiǎn),。

　　為了輔助應(yīng)用開(kāi)發(fā),，STM32開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)新增了支持STM32G4 MCU的Nucleo開(kāi)發(fā)板、評(píng)估板和STM32CubeG4軟件包,。此外,，還有一套電機(jī)控制專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)板和軟件開(kāi)發(fā)套件，以及專(zhuān)為高精度定時(shí)器的使用方法量身定做的使用手冊(cè)-AN4539,，詳細(xì)介紹了高精度定時(shí)器針對(duì)不同數(shù)字電源拓?fù)浣Y(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(lái)的數(shù)字電源控制器技術(shù)將發(fā)生重大改變？Jean-Marc Mathieu的觀(guān)點(diǎn)是,，在“DSP+模擬”架構(gòu)中,，用戶(hù)使用的主要是DSP廠(chǎng)商的私有內(nèi)核，相對(duì)比較封閉,，資源都掌控在DSP廠(chǎng)商手中,，但實(shí)際上用戶(hù)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(huì)更好,。如果數(shù)字電源轉(zhuǎn)換效率想達(dá)到95-98%，那么設(shè)計(jì)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(hù)在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，用到的產(chǎn)品不僅僅只有電源控制器,，還包括人機(jī)界面等許多方面,，如果還停留在傳統(tǒng)DSP的使用上，設(shè)計(jì)人員就必須為其單獨(dú)保留一套開(kāi)發(fā)環(huán)境和相應(yīng)的工程師團(tuán)隊(duì),。但如果切換到Arm生態(tài)系統(tǒng)中,，就可以在所有不同項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中使用同樣的工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境和使用習(xí)慣，這點(diǎn)非常重要,。

　　其實(shí)早在2014年,，ST就發(fā)布了面向數(shù)字電源市場(chǎng)的第一款產(chǎn)品STM32F334，但Jean-Marc Mathieu說(shuō)那時(shí)ST是數(shù)字電源主控市場(chǎng)的新來(lái)者,，實(shí)力還不足以撼動(dòng)已經(jīng)形成壟斷之勢(shì)的DSP產(chǎn)品,。隨后的5年時(shí)間內(nèi)，ST首先花費(fèi)了3年時(shí)間收集客戶(hù)反饋,，接著又花費(fèi)了2年時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)新的IP,，直到STM32G4的誕生。

　　隨著STM32G4系列的發(fā)布,，STM32產(chǎn)品線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電源市場(chǎng)高中低應(yīng)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(shí)器）v1數(shù)字及模擬部分,，精度達(dá)到217ps,，主要服務(wù)低端應(yīng)用；STM32H743采用Cortex-M7內(nèi)核,，計(jì)算能力更強(qiáng),，配置配置HRTIMer v1僅數(shù)字部分，精度2ns,，主要服務(wù)高端應(yīng)用,；STM32G4系列是STM32F3的延續(xù)，可以滿(mǎn)足中端市場(chǎng)的應(yīng)用,。

　　意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年

　　但意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年強(qiáng)調(diào)稱(chēng),，數(shù)字電源是一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)，不同的功率和拓?fù)鋵?duì)相關(guān)資源的需求肯定不同,，因此G4系列的推出并不意味著對(duì)STMF334系列的全盤(pán)取代,，只是做了相應(yīng)提升，以便覆蓋更復(fù)雜的數(shù)字電源應(yīng)用場(chǎng)景,。