高性能STM32 F4：决胜智能家居

智能家居存在广阔市场空间，国际物联网贸易与应用促进协会的数据显示，2013年，全球智能家居规模由2012年的250亿美元增至330亿美元。在国内，2012年，我国智能家居市场规模达600亿元，预计2013年至2020年平均增长率将达到25%，2020年市场规模将达到3500亿元。另一方面，智慧城市的建设也为智能家居带来利好，预计国家在“十二五”期间用于建设智慧城市的投资规模将达5000亿元，带动相关 产业 发展的市场规模预计将在2万亿元左右。

目前，互联网公司、家电巨头以及智能家居控制系统企业在智能家居行业里似乎逐渐形成了鼎立之势。然而要获得智能家居市场的领导权，不是要掌握智能电视、智能洗衣机、智能开关、智能插座等智能产品，关键是掌握智能家居系统的处理中心，无论是智能家电设备的处理中心，还是智能路由与智能网关的处理中心，MCU都是当之无愧的首选硬件。

之所以这么说，很重要的原因面是MCU已经被广泛应用在洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、电冰箱等多种家用电器中，进行电机控制、模拟传感器测量、前面板键盘控制以及在LED/LCD上显示结果等，一些初期的智能化家电，也是采用MCU作为其主控单元进行智能化操作的基本控制的，这些使得家用电器成为MCU最大的应用市场。但是，与此同时，随着家电产品对质量和技术的要求越来越高，智能、高效、节能成为家电的发展趋势，为满足这类高级系统设计要求，MCU也面临着更多更新的要求。

节能无疑是家电发展的主要方向，不过，MCU在智能家电中扮演的作用并不仅仅是降低自身能耗这么简单，更多是着眼于降低系统能耗。家电领域的低功耗包括运行和待机功耗，相比手持设备，家电对于低功耗的要求并不是非常苛刻，其更关心的是如何在整个系统上实现节能，而非微控制器本身的功耗，比如空调系统的节能，利用高性能MCU对运行状态的控制能力，让变频特性和运行状态更为合理而带来的系统节能远比MCU的低功耗更为重要。

丰富的接口资源和网络特性也是MCU需要应对智能家居挑战的重点，随着生活水平不断提高，家电需要超越最基本的功能，我们必将看到更多更智能的家电产品在市场上涌现，丰富多样的传感技术和联网技术等关键技术的应用，是家电智能化的前提。但网络连接既增加了便利性，也带来了可能的安全隐患，同时，家电产品可能会引入一些操作系统，这是以往的家电所不曾有的。因此安全接入将是未来需要解决的一大问题，智能家居说穿了也是物联网的一个应用形式。如何借助硬件提高自身产品智能性及拥有高级的防火墙安全机制，将成为最有利的竞争优势。

综合起来，智能家居市场对MCU的主要要求可以细化为，更高处理能力的需求只有32位高性能才能满足，更多的应用范围和更简单的开发环境需要庞大的生态系统支持，系统的安全性、可靠性和容错能力必须非常好才能保证智能家居的使用安全可靠，此外，随着家居设备中显示界面的普及和传感器越来越多的应用，要求MCU具有更多的接口资源，如LCD驱动和I/O口的驱动，更强的PWM输出能力等，甚至使得MCU逐渐向SoC靠拢。

对比上面的这些技术需求，STM32 F4系列是非常具有竞争力的选择，首先从性能上看，STM32 F4采用了168 MHz Cortex-M4内核，其内置单周期的DSP乘加指令，具有优化的SIMD算术指令、饱和运算指令和浮点运算单元（FPU），这让F4从性能上能够做到32位MCU的极致。ST微控制器大中华区高级市场经理曹锦东介绍，同类产品要么受限于最大主频，要么受限于闪存速度，而STM32 F4的闪存速度和主频范围都达到极致。为了解决这个问题，F4系列加入了ART实时加速器，通过一个预取队列，一个分支缓存和一个智能仲裁机构实现加速，使Cortex-M4摆脱受限的闪存速度，充分发挥核心潜能。可以在168 MHz的主频范围内实现线性的性能，程序在闪存中运行时，可以达到相当于零等待周期的性能，即达到210 DMIPS，这是 Cortex-M4 内核在这个SPI下能够达到的最高性能。
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图1 性能对比图

此外，曹锦东还特别提到，STM32 F4具有32位、7层AHB总线矩阵，可以让7个主设备和8个从设备同步执行程序和数据交换。在性能提升的同时，F4也继承了STM32低功耗的传统优势，功耗效率高达230 uA/MHz。STM32 F4改进了一些外设，如全双工I2S、小于1 uA的RTC以及2.44 MHz/s采样率的ADC, STM32 F4的通信接口高达15个。STM32 F4产品最高可拥有2MB片上闪存，较市场其他Cortex-M4微控制器，片上集成存储器资源得到巨大扩展，让开发人员能够管理与丰富应用相关的大量代码和数据，而无需增加昂贵的外部闪存和SRAM(运用STM32 F4系列外存接口)或使用无ROM架构。

对于要求联网性能更强的应用，STM32 F4系列最多可提供4个USART和4个UART，AD接口数量最多也可以有6个，3个42Mbit/s的SPI、3个I2C、2个CAN、1个SDIO，为提高通信可靠性，3个I2C接口增加数字滤波选项。此外，可以提供相机接口、加密/哈希硬件处理器、支持IEEE 1588 v2 10/100M以太网接口、2个USB OTG（其中1个支持高速模式）。

在生态系统方面，不仅STM32系列内的各个产品可以做到管脚兼容和生态系统兼容，曹锦东还特别强调，STM32和STM8两个系列之间的部分开发环境和开发工具也是相互兼容的，这就让那些原有STM8的家电用户可以很快速的将产品设计从8位升级到32位。另一方面，ST作为全球最大的MEMS消费电子传感器供应商，MCU+传感器的整体解决方案在消费电子中可以给客户从成本到设计时间上都带来极大的节约。
 

STM32 F4系列架构图