引言

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。PROFINET是工業(yè)以太網(wǎng)版PROFIBUS總線，而這項技術被業(yè)界公認為極其耗費資源。意法半導體與Port合作為STM32 F-2系列研發(fā)了一款只需128KB SRAM存儲容量的PROFINET軟件，讓意法半導體的微控制器步入一個新的應用領域。STM32 F-2與Port PROFINET組合不僅適用于工業(yè)自動化應用，例如，工業(yè)編碼器（定位）、工業(yè)驅動附件，而且還適用于內置以太網(wǎng)控制功能的安全系統(tǒng)。PROFINET的 STM32 F-2版協(xié)議棧為用戶提供符合IEC 61158和IEC 61784標準的PROFINET IO兼容通信所需的全部服務功能，幫助用戶輕松快速地開發(fā)PROFINET IO設備。該解決方案是是通過一個硬件抽象層訪問硬件，并為用戶提供能夠連接意法半導體的不同微控制器的驅動程序，有無操作系統(tǒng)均可。為了快速獲得總線使用權限，符合PROFINET的技術規(guī)范，該解決方案對底層以太網(wǎng)驅動軟件進行了優(yōu)化。STM32 F-2支持PROFINET Conformance Class A，還可以支持PROFINET Realtime Class 1。為了幫助設計人員輕松快速地開發(fā)項目，Port還提供一個PROFINET設計工具。

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。新系列產品誕生于深受市場歡迎的STM32產品家族，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品架構。新產品在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)。