Nowe mikrokontrolery STM32 z rdzeniem Cortex-M4F

Rys. 1. Ilustracja lokalizująca nowe typy mikrokontrolerów w dotychczasowym portfolio STM32F4

Pierwszym w rodzinie STM32 mikrokontrolerem zorientowanym na aplikacje z GUI był STM32F429 i jego młodszy brat STM32F439. Dużą wydajność w aplikacjach graficznych mikrokontrolery te osiągają dzięki wbudowanemu koprocesorowi graficznemu Chrom-Art (DMA2D), który od strony konstrukcyjnej jest wyspecjalizowanym kanałem DMA.

Samodzielnie realizuje on wiele podstawowych funkcji wspomagających wyświetlanie obrazów, w tym: wypełnianie zadanych obszarów kolorem zdefiniowanym przez użytkownika, kopiowanie i przenoszenie fragmentów obrazu, konwersja formatów z bazą w CLUT (Colour Look-Up table) definiowaną przez użytkownika, nakładanie obrazów z opcjonalnym definiowaniem przezroczystości itp. Nie jest to więc od strony funkcjonalnej "karta graficzna" w rozumieniu PC, ale doskonałe narzędzie wspomagające realizację typowych interfejsów graficznych w różnego rodzaju panelach HMI.

Rys. 2. Schemat blokowy ilustrujący budowę interfejsu MIPI DSI

Ponieważ propozycja firmy STMicroelectronics została ciepło przyjęta przez rynek, pojawiły się kolejne mutacje mikrokontrolerów przeznaczonych do takich aplikacji: nowe mikrokontrolery są oznaczone symbolami STM32F469 i STM32F479. Ich "lokalizację" w rodzinie STM32F4 pokazano na rysunku 1.

Podstawowe elementy wyposażenia tych mikrokontrolerów są identyczne ze starszymi układami "graficznymi", wyposażono je natomiast w nowatorski - w świecie mikrokontrolerów - interfejs graficzny MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface Display Serial Interface), coraz częściej stosowany w urządzeniach mobilnych. Schemat blokowy tego interfejsu pokazano na rysunku 2.

Rys. 3. Dostępne i planowane przez producenta modele mikrokontrolerów STM32F469/479

Jego zaletą jest możliwość szeregowego transportu dużej ilości danych w krótkim czasie z wykorzystaniem - w warstwie fizycznej - interfejsu różnicowego, który minimalizuje poziom emitowanych zaburzeń EM i jednocześnie jest odporny na zakłócenia. Konstruktorzy mikrokontrolerów STM32F469/479 wyposażyli interfejs DSI w konfigurowalny interfejs z jedną lub dwoma liniami danych oraz jedną linią taktującą (synchronizującą). W ten sposób do mikrokontrolera można dołączyć wyświetlacz LCD wyświetlający obraz w standardzie do 720p, odświeżany z częstotliwością do 30 Hz, z wykorzystaniem zaledwie 6 linii GPIO mikrokontrolera.

Prezentowane w artykule mikrokontrolery są obecnie dostępne w ograniczonej liczbie modeli, ale producent deklaruje szybkie poszerzenie oferty, jej docelowy kształt przedstawiono na rysunku 3. Jak widać, gama planowanych modeli jest dość szeroka i cieszy fakt, że firma STMicroelectronics ma na uwadze tanie aplikacje realizowane na 2-warstwowych płytkach drukowanych, gdzie można stosować obudowy LQFP.

Rys. 4. Schemat blokowy interfejsu HDMI-CEC

Drugą ważną nowością w ofercie STM32F4 - zorientowaną na aplikacje wymagające dużej liczby interfejsów komunikacyjnych - są mikrokontrolery STM32F446, które poza klasycznym wyposażeniem komunikacyjnym, został przez producenta doposażony w trzy dodatkowe, nieco mniej popularne, interfejsy szeregowe:

• HDMI-CEC (Consumer Electronic Control) v 1.4 - jest to 1-przewodowy interfejs szeregowy (rys. 4), służący do przewodowej, lokalnej komunikacji urządzeń AV. Na przykład dzięki interfejsowi HDMI-CEC połączone ze sobą urządzenia mogą być sterowane za pomocą jednego pilota bez konieczności ich konfigurowania. Za pośrednictwem złącza HDMI można sterować maksymalnie 10 podłączonymi urządzeniami, w tym wyświetlaczem. Wiele firm nadaje własne, firmowe nazwy temu interfejsowi, na przykład Philips określa go mianem EasyLink, firma Samsung - Anynet+, Toshiba - CE Link, Panasonic - EZSync, Sony - Bravia Theater Sync itd.
• dwukanałowy interfejs QSPI (Quad-SPI), który jest zaawansowaną wersją interfejsu SPI, charakteryzującą się możliwością szeregowo-równoległego transferu danych za pomocą 1-/2- lub 4-bitowej magistrali danych, synchronizowanej za pomocą sygnału zegarowego. Za pomocą tego interfejsu mikrokontroler może obsługiwać m.in. pamięci NOR-Flash o pojemności do 256 MB z prędkością 90 MB/s w trybie SDR (taktowanie jednym zboczem) lub 120 MB/s w trybie DDR (taktowanie dwoma zboczami). Wbudowany w prezentowane mikrokontrolery interfejs QSPI umożliwia także jednoczesną obsługę dwóch pamięci Flash - jego konfigurację w tym trybie pracy pokazano na rysunku 5.
• 4-kanałowy interfejs SPDIF (IEC-60958, IEC-61937) zintegrowany z dekoderem odbieranych danych, automatyczną detekcją prędkości transmisji (częstotliwości próbkowania sygnału audio) i możliwością obsługi sygnałów Dolby lub DTS w konfiguracji do 5.1 włącznie.

Mikrokontrolery STM32F446 wyposażono w rdzeń Cortex-M4F taktowany sygnałem zegarowym o maksymalnej częstotliwości do 180 MHz (osiąga wtedy wydajność 225 DMIPS/608 Coremark). Dostęp do pamięci Flash jest w tych mikrokontrolerach buforowany przez sprzętowy akcelerator ART, znany z wcześniejszych modeli mikrokontrolerów STM32.

Rys. 5. Interfejs QSPI w mikrokontrolerach STM32F446 może obsługiwać dwie pamięci Flash jednocześnie

Warto także wspomnieć o pozostałych elementach wyposażenia mikrokontrolerów STM32F446: wszystkie modele wyposażono w sprzętowe interfejsy kamer CCD (DCMI), wielokanałowe, szybkie przetworniki A/C i C/A o rozdzielczości 12 bitów, standardowym elementem wyposażenia jest także podsystem audio obsługujący protokoły I²S, LSB-/MSB-justified, PCM/DSP, TDM oraz AC'97.

Wspominanie o konfigurowalnych timerach, UART-ach, interfejsach CAN i SDIO oraz konfigurowalnych mechanizmach wspomagania oszczędzania energii - ze względu na ich obecność w większości dostępnych na rynku mikrokontrolerów STM32 - można uznać za niepotrzebne, ale doskonale ilustruje poziom podstawowego wyposażenia współczesnych mikrokontrolerów.

Rys. 6. Dostępne i planowane przez producenta modele mikrokontrolerów STM32F446

Modyfikacji w mikrokontrolerach STM32F446 uległy także niektóre cechy interfejsów i bloków peryferyjnych znanych z wcześniejszych rozwiązań:

• w interfejsach USB wydzielono linię zasilającą, która ułatwia budowanie energooszczędnych interfejsów z zewnętrznym interfejsem PHY, zaimplementowano ponadto obsługę mechanizmu Link Power Mode (implementującego stan pośredni pomiędzy stanem aktywności i uśpienia urządzenia dołączonego do interfejsu),
• 2 kanały interfejsu I2S przystosowano do pracy dupleksowej,
• jeden kanał interfejsu I2C (FMPI2C) obsługuje - poza standardowymi - także tryb pracy FastMode Plus (częstotliwość taktowania do 1 MHz) oraz SMbus (rev. 2.0). W nowej implementacji usunięto także niedoskonałości znane z wcześniejszych wersji tego interfejsu.

Przykłady przedstawione w artykule pokazują, jak konsekwentnie oferta produkcyjna mikrokontrolerów STM32 jest poszerzana: producent nie zaniedbuje żadnych obszarów ekspansji, regularnie zaspokajając coraz bardziej niszowe potrzeby konstruktorów budujących urządzenia do aplikacji masowych i niszowych, w których obydwu STM32 doskonale się odnajdują.

Piotr Zbysiński