工業(yè)環(huán)境正在對嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)人員構成日益嚴峻的挑戰(zhàn)，究其主要原因，當前系統(tǒng)和通信協(xié)議棧變得越來越復雜，系統(tǒng)實時性和安全要求越來越嚴格，同時，這種趨勢直接影響到半導體元器件的特性和技術規(guī)格。

　　為克服這些挑戰(zhàn)，意法半導體在今年初發(fā)布了STM32-F2系列微控制器，以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)要求苛刻的工業(yè)應用。新系列產(chǎn)品誕生于深受市場歡迎的STM32產(chǎn)品家族，擁有更高的性能、更大的存儲容量和針對工業(yè)應用優(yōu)化的外設。F2 系列產(chǎn)品在一顆芯片上集成了多種功能，例如，控制/調整功能和復雜的通信協(xié)議棧。高集成度的優(yōu)點是，縮小印刷電路板空間，避免在不同的控制器之間存在易受到電磁兼容性影響的連接電路，優(yōu)化應用成本。

　　工業(yè)自動化市場的特點是多個通信協(xié)議并存，實時應用需要高效的操作系統(tǒng)。因此，軟件棧和操作系統(tǒng)成為選擇微控制器的首要參數(shù)。 STM32微控制器基于受到市場廣泛支持的Cortex M3內核，因此，有20多家實時操作系統(tǒng)和通信協(xié)議提供商供用戶選擇。為使STM32微控制器更加完美，意法半導體還增加了一個兼容CMSIS的硬件抽象層和其它固件庫，例如，支持永磁同步電機（PMSM）的磁場定向控制 （FOC） 。本文將介紹兩個第三方專門為STM32F-2研發(fā)的工廠自動化軟件： IXXAT開發(fā)的支持PTP的IEEE1588協(xié)議軟件包和PORT開發(fā)的Profinet通信協(xié)議棧。

　　STM32-F2針對工廠自動化的改進的性能

　　與上一代產(chǎn)品STM32-F1相比，STM32-F2在很多方面加以改進，特別是性能更加出色，外設接口更加豐富。STM32-F2采用90nm光刻技術，處理速度達到120MHz，并使運行功耗保持在合理水平（300uA/MHz）。這項光刻技術的另一個好處是集成度更高，有助于降低應用的系統(tǒng)級成本。

　　為了充分發(fā)揮Cortex-M3內核的優(yōu)異性能，意法半導體重新評估了產(chǎn)品架構。新產(chǎn)品在120MHz下釋放150DMIP的強勁性能（Dhrystone 2.1），CoreMark測試成績取得254高分（2.120 CoreMark/MHz 通過EEMBC 認證）， STM32F-2因而進入Cortex-M微控制器的第一陣營，這個成績歸功于自適應實時存儲器加速器（ARTTM），采用這項閃存訪問管理技術后，應用代碼執(zhí)行不再會受閃存本身固有的等待狀態(tài)的影響。雖然閃存的速度比內核本身慢三倍，但是，在代碼執(zhí)行過程中不會出現(xiàn)等待狀態(tài)，即便處理速度達到120MHz時也是零等待狀態(tài)。因此，新系列產(chǎn)品可大幅縮減設計尺寸，降低功耗和閃存的EMC影響，確保最高的產(chǎn)品性能。

　　STM32-F2的主要特性如下： 最高1MB的閃存、128kB RAM、6個UART（7.5Mbps）、3個SPI接口 （30Mbps）、支持IEE1588 PTP V2的以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、4kB備用RAM、512字節(jié)的一次性可編程存儲器（OTP）。

　　總線矩陣

　　除單純的內核計算能力外，微控制器設計人員還必須考慮總線設計，在微控制器不同單元之間實現(xiàn)并行訪存和數(shù)據(jù)傳輸，例如，內核和通信外設需要同時訪問不同的存儲器。因此，主要總線最終被設計成一個多層AHB總線矩陣，最多支持6個同步數(shù)據(jù)流。

　　STM32-F2系列微控制器共有5個總線主控制器：

　　●有3條內核總線的ARM Cortex-M3內核

　　●2個DMA控制器

　　●高速USB主設備控制器

　　●10/100以太網(wǎng)MAC控制器

　　上圖中的黑點代表在這個7層總線結構中總線主控制器與從控制器的全部接口。為提高系統(tǒng)的能效，SRAM存儲器被分成兩個存儲區(qū)SRAM1和SRAM2，SRAM1用于保存基本協(xié)議棧和變量，而SRAM2則用作通信外設的幀緩沖區(qū)。以太網(wǎng)和USB外設都占用了幾千字節(jié)的FIFO存儲空間，而且分別擁有一個各自專用的DMA控制器。

　　除多個SRAM分區(qū)外，該系統(tǒng)還有兩個AHB總線從控制器。同樣地，這樣的配置準許不同的總線主控制器并行處理和同步訪問不同的高速外設，例如，加密處理器和通用輸入輸出端口。AHB從控制器和DMA控制器都是雙端口，這樣設計準許在AHB總線上直接連接DMA控制器與高速外設，避免在總線矩陣和二級高速至低速橋上因延遲而降低性能。

　　外部存儲器接口又稱“靜態(tài)存儲控制器”，可直接連接不同的異步和同步存儲器、NOR/NAND閃存、SRAM、偽SRAM，甚至還能連接一個液晶顯示器控制器，外存接口總線頻率最高60MHz，還能通過指令總線（I-bus）獲取CPU內核指令。

　　存儲器加速器

　　意法半導體的自適應實時（ART）存儲器加速器（如下圖所示）可讓Cortex-M3內核釋放最高的處理性能，雖然閃存本身需要等待狀態(tài)，但是，引入這項技術后，STM32-F2以120 MHz的速度從閃存執(zhí)行代碼無等待狀態(tài)。

　　存儲器接口是128位寬，每次可取4-8條THUMB2指令。如果執(zhí)行線性代碼，因為預取指功能，即便閃存速度只是內核的四分之一，代碼執(zhí)行也不會出現(xiàn)等待狀態(tài)。

　　然而，如果執(zhí)行轉移或跳轉指令，需要立即取出轉移或跳轉目標地址的數(shù)據(jù)，這樣，存儲器的等待狀態(tài)會增加系統(tǒng)開銷，這就是ART及其64項高速指令緩存發(fā)揮作用的地方。如果非順序指令第一次出現(xiàn)，這條指令將從存儲器中取出并保存在64 項高速緩存的一個存儲項內。在下一次出現(xiàn)時，該指令將從高速緩存中直接取出，沒有等待狀態(tài)。

　　這個指令高速緩存還有一個LRU即最近不常用機制，因此，假如一個應用軟件的轉移指令超過64條，最近常用的新指令將取代最近不常用的指令。這個架構的優(yōu)點是，即便中斷服務處理程序被加速器覆蓋，這個機制仍然能夠支持各種轉移指令。

　　最常用的8行數(shù)據(jù)項目像高速指令緩存一樣，但是用于暫存最常用的數(shù)據(jù)庫，可以使D-bus總線立即充滿數(shù)據(jù)。

　　工業(yè)協(xié)議棧和固件

　　IXXAT為 STM32開發(fā)的IEEE 1588 PTP協(xié)議

　　測量系統(tǒng)、電信設備、自動化系統(tǒng)或汽車系統(tǒng)等分布式應用設備對精確時序機制的要求越來越高。IEEE 1588的精確時序協(xié)議（PTP）通過以太網(wǎng)使分布式設備的時序同步精度達到納秒級，從而滿足分布式應用系統(tǒng)的要求。

　　IXXAT自動化技術有限公司開發(fā)的IEEE 1588協(xié)議軟件讓設備廠商能夠輕松、快速地開發(fā)IEEE 1588兼容設備，這款軟件的源代碼采用C語言，可實現(xiàn)在任何平臺上。

　　為了在意法半導體的STM32-F2系列微控制器上實現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議，IXXAT為STM32-F2用戶提供一個定制版協(xié)議軟件，該解決方案大幅簡化并加快了協(xié)議的實現(xiàn)過程。STM32-F2專用協(xié)議軟件需要與一個有組播功能的TCP/IP協(xié)議棧配合使用，有無操作系統(tǒng)均可。

　　因為功能豐富，連續(xù)升級，占有率高，IXXAT的IEEE 1588協(xié)議軟件已成為1588協(xié)議軟件市場的主要參考標準。最新的1.03版IEEE 1588已支持新的IPv6標準，該標準將逐漸被新系統(tǒng)所采用。這個解決方案的模塊化軟件結構包含基本包和可選擴展文件，例如，用于IPv6、IEEE 802.3和Unicast的文件，讓包與專門應用及其資源能夠實現(xiàn)最佳匹配。

　　用戶可以動態(tài)設置多種功能，例如，延遲機制（對等/端到端）和通信技術（IPv4， IPv6， 802.3），因此，設計人員開發(fā)設備時無需考慮網(wǎng)絡結構，用戶使用設備時無需修改固件，這樣設計可以降低研制成本，讓客戶提出更吸引人的價值主張。

　　STM32-F2系列微控制器在以太網(wǎng)媒體訪問控制器MAC內整合了支持IEEE 1588 （PTP V2）的硬件，具有實現(xiàn)一個高精度時序同步協(xié)議所需的全部資源。我們做了一個長時間的背對背連接同步測試， 采用了1個精確的主控制器（2ppm晶振），測試條件是0.125秒同步間隔，測試結果顯示，該平臺最大同步偏差為±70納秒，標準同步偏差大約是15納秒。在上電后，IXXAT的IEEE 1588協(xié)議軟件同步平均需要大約20個同步間隔。

　　在一個STM32微控制器上實現(xiàn)的IEEE 1588軟件，取得1個有IPv4、端到端 （E2E）和對等（P2P）延遲機制和主控制器的通用普通時鐘的典型功能，需要47KB空間保存程序代碼，7KB空間保存只讀數(shù)據(jù)，23KB空間保存讀寫數(shù)據(jù)。

　　除IEEE 1588協(xié)議軟件外，IXXAT的服務還包括定制軟硬件開發(fā)和系統(tǒng)設計，以及技術研討會和代碼推介會服務。