STM32G4微控制器系列是有史以來第一個包含 5 個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、7 個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、6 個運算放大器和 7 個比較器的微控制器，同時還集成了一個 USB-C 供電控制器，一個 184 皮秒的高分辨率定時器、具有靈活數(shù)據(jù)速率的 CAN 接口以及加速某些三角函數(shù)的數(shù)學單元。STM32F4附近 在計算吞吐量方面，STM32G4 通過為數(shù)字和模擬應用提供新的優(yōu)化功能，在“混合信號”MCU 領(lǐng)域獨樹一幟。其 Cortex-M4 將達到 170 MHz 以獲得 213 DMIPS，并在 CoreMark 中獲得 550 分，同時其眾多架構(gòu)改進能夠創(chuàng)建更簡單但更強大的設計。我們還在推出時使用了兩種不同的芯片，以便從一開始就提供最廣泛的引腳和內(nèi)存配置。

這種新架構(gòu)汲取了 STM32F3 的通用 DNA，但也增加了創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足各種市場的特殊需求。例如，數(shù)學加速器使其成為用于磁場定向控制 （FOC） 計算或數(shù)字電源的出色 MCU，而其 CAN FD 支持將使工業(yè)產(chǎn)品受益。通過在其芯片上集成更多模擬和數(shù)字組件，STM32G4 能夠為服務器群和更具成本效益的消費產(chǎn)品創(chuàng)建更密集、更強大的電源。此外，它是一種面向未來的設計方式。例如，汽車中碳化硅 （SiC） 器件或氮化鎵 （GaN） 晶體管的興起需要更精確的定時器以適應其更高的開關(guān)頻率。憑借其 12 通道高分辨率定時器，STM32G4 已經(jīng)能夠驅(qū)動基于這些組件的設計，從而塑造未來的電子產(chǎn)品。

STM32G4的創(chuàng)新

新的數(shù)學加速器

STM32G4 是第一款具有兩個數(shù)學加速器的 STM32，一個用于三角計算（坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機或 CORDIC），另一個用于濾波功能（濾波器數(shù)學加速器或 FMAC）。非常簡單，CORDIC 加速器為電機控制、計量、信號處理和許多其他應用中經(jīng)常出現(xiàn)的三角函數(shù)提供硬件加速。另一方面，F(xiàn)MAC 支持在信號處理中實現(xiàn)兩個主要的初級濾波器：有限脈沖響應 （FIR） 和無限脈沖響應 （IIR） 數(shù)字濾波器。

在無刷直流電機 （BLDC/PMSM） 中，相位上的電流在兩個坐標系（α 軸和 β 軸）中創(chuàng)建定子的參考系。然后 FOC 計算矢量變化以準確控制電機的旋轉(zhuǎn)，這解釋了為什么在硬件中求解三角函數(shù)的能力顯著提高了性能。同樣，工程師可以向 IIR 和 FIR 濾波器提供時域，以進一步放大、降低或去除頻率，并獲得具有更少或沒有噪聲、混疊或漂移等的新時域信號，從而使應用程序能夠與更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

這兩種加速帶來的性能提升是顯著的。CORDIC 單元計算正弦波的速度比 ARM 軟件庫快五倍， 而且由于它還卸載了 Cortex-M4 內(nèi)核，系統(tǒng)可以在數(shù)學加速器計算新角度的同時執(zhí)行其他任務。同樣，當使用我們的電機控制庫來使用 FOC 控制 BLDC 電機時， 與沒有我們新的數(shù)學加速器的其他微控制器相比，STM32G4 提供了約 12% 的性能增益，這意味著開發(fā)人員可以降低其工作頻率和功耗對性能沒有負面影響。

一個高分辨率定時器和三個高級電機控制定時器

STM32G4 系列極具象征意義，因為它是第一個包含分辨率低于 200 皮秒的定時器的 ST MCU 架構(gòu)。它的第一個也是最明顯的好處是它能夠驅(qū)動 LLC 諧振拓撲中的高精度電源。由于存在七個時基，開發(fā)人員可以將這些時基組合起來以獲得非常精細的調(diào)制，該定時器還提供了高度靈活的脈寬調(diào)制 （PWM）。例如，高分辨率定時器還受益于事件處理程序，以幫助工程師更輕松地配置和調(diào)用定時器或使用它來生成中斷。

新的微控制器系列集成了三個 16 位高級電機控制定時器。在它們的眾多特性中，它們支持 PWM 模式以更好地控制電源開關(guān)，并且它們具有功率級保護系統(tǒng)，可以在發(fā)生故障時禁用 PWM 輸出。定時器還具有正交編碼器和霍爾傳感器的不同模式，可自動調(diào)整計數(shù)方向，從而允許定時器在使用轉(zhuǎn)速計時檢測轉(zhuǎn)子的位置或其速度。因此，開發(fā)人員可以使用計時器來讀取角度或方向，以簡化代碼并提高應用程序的精度。

雙存儲區(qū)閃存和安全存儲區(qū)

STM32G47x MCU 還具有雙存儲體閃存形式的關(guān)鍵特性。非常簡單，MCU 將閃存組織在兩個具有讀寫 （RWW） 功能的物理存儲區(qū)中。因此，可以下載、安裝、然后運行新固件而不會中斷。系統(tǒng)在一個銀行上運行，而另一個接收新固件。然后系統(tǒng)可以熱交換銀行并無縫切換到第二個銀行以運行新代碼。開發(fā)人員甚至可以通過使用 STM32G4 上提供的新安全功能來保護下載操作，例如安全內(nèi)存區(qū)域：一段內(nèi)存，可以存儲密鑰或執(zhí)行軟件例程，并且在復位后僅運行一次，然后對用戶代碼不可見。

STM32G4的優(yōu)化

CCM-SRAM 日常助推器

STM32G4還借鑒了其他STM32系列的很多創(chuàng)新。例如，與 STM32F3 一樣，開發(fā)人員可以使用一些可用的 SRAM 作為內(nèi)核耦合存儲器 （ CCM ）。ST 還將這項技術(shù)稱為“例程助推器”，因為程序員可以將一段代碼放入內(nèi)核的 SRAM 中，以加快關(guān)鍵例程的執(zhí)行并保持其確定性。然后，STM32G4 將能夠使用其指令總線調(diào)用代碼，同時使用數(shù)據(jù)總線檢索信息，從而優(yōu)化性能，因為代碼可以在可用的最高時鐘頻率和零等待狀態(tài)下運行。開發(fā)人員將 CCM-SRAM 用于實時或計算密集型應用程序，因為它可以防止例程和數(shù)據(jù)必須共享同一總線時出現(xiàn)的瓶頸。

受益于 CCM-SRAM 非常簡單，因為開發(fā)人員只需要定義 CCM-SRAM 的內(nèi)存地址區(qū)域并使用特殊屬性標記代碼片段，該屬性告訴編譯器將其移動到耦合的核心存儲器。然后，程序員在啟動時通過修改啟動文件將代碼加載到 CCM-SRAM 中，必要時復制主函數(shù)中的初始化變量，然后調(diào)用相關(guān)代碼。因此，只需幾行代碼就可以顯著優(yōu)化應用程序，我們邀請開發(fā)人員查看我們關(guān)于該主題的應用說明。

眾多外設和優(yōu)化

除了眾多的模擬外設之外，STM32G4 還集成了對信號處理的優(yōu)化。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在硬件中包含增益和偏移補償，以減輕 CPU 的負擔并獲得比應用程序在軟件中執(zhí)行所有這些任務時更好的性能。同樣，系統(tǒng)還可以自動處理硬件中的奇怪事件，最多連續(xù)處理八次。當系統(tǒng)對超出其看門狗窗口的信號進行采樣時，通常會設計一個例程對信號進行重新采樣，以評估它是否只是故障還是系統(tǒng)問題。由于我們的硬件集成，開發(fā)人員可以更有效地享受好奇的事件處理。最終，數(shù)據(jù)表中列出的大量外設令人印象深刻，但它也隱藏了眾多有助于 MCU 在競爭中脫穎而出的硬件優(yōu)化。

STM32G4 中存在如此多的模擬和數(shù)字功能的一個固有挑戰(zhàn)是外部引腳的使用。如果用戶必須為每個人使用特定的 pin，幾乎不可能使用其所有功能。因此，新系列的 MCU 使用內(nèi)部互連系統(tǒng)來減少外部引腳的使用。它還允許外圍設備傳輸數(shù)據(jù)，而不必涉及緩沖區(qū)并顯著限制性能，從而使整個系統(tǒng)更加實用。這個互連系統(tǒng)所代表的成就很容易被忽視，但由于外圍設備很多，在裸片上設計這個網(wǎng)絡需要很多獨創(chuàng)性。

如何開始

開始試驗 STM32G4 的最佳方法是使用它的開發(fā)板之一。我們正在發(fā)布NUCLEO-G474RE和NUCLEO-G431RB以及評估板STM32G474E-EVAL1、STM32G474E-EVAL和STM32G484E-EVAL。它們都有顯示器，而 STM32G474E-EVAL1 還具有用于單電機和雙電機控制的硬件配置，STM32G484E-EVAL 集成了加密內(nèi)核和真隨機數(shù)發(fā)生器。最后，我們還提供用于電機控制應用的完整 Nucleo 包 （ P-NUCLEO-IHM03 ），以配合我們新的電機控制軟件開發(fā)套件X-CUBE-MCSDK新版本的發(fā)布它將接收更新以利用 STM32G4 的新數(shù)學單元等。

審核編輯：郭婷