剖析最为复杂的低功耗MCU STM32U5

‍‍‍‍‍‍‍‍2021年3月，意法半导体（ST）宣布推出STM32U5，9月STM32U5首批型号正式量产，这也意味着ST诞生了首款同时达到PSA 3级和SESIP 3安全认证的超低功耗微控制器。

ST中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东表示，STM32低功耗系列产品从STM32L5到STM32U5，虽然内核一样，都采用了Arm v8架构的Cortex-M33，但是其工艺、电路设计等方面都做了巨大革新，并且采用了全新40nm技术平台，这也是未来ST低功耗MCU技术的重要支撑平台。

历史上，超低功耗产品线一直以来都是STM32的战略性产品线。自2007年ST发布第一款基于Cortex-M内核的通用单片机之后，2009年，ST就将Cortex-M系列单片机扩展到了超低功耗领域。

ST部门副总裁、微控制器事业部总经理Ricardo de Sa Earp则在声明中指出：“在过去的五年中，ST微控制器全球份额几乎翻了一倍，STM32超低功耗微控制器出货量迄今超过20亿。ST凭借丰富的低功耗技术储备和对低功耗市场的专注，让我们在超低功耗微控制器类别具有很强的优势，并占有约25%的市场份额。”

ST中国区微控制器产品市场经理彭祖年介绍道：“STM32U5可应用于工业智能流量计、健康及健身类穿戴产品、医疗监护设备、POS支付终端等对于功耗和安全性同时有高要求的场景。”

曹锦东透露，从欧洲总部拿到的STM32U5产品介绍PPT就有接近60页，具有大量独到的创新性。而从ST官方给出的迁移指南，STM32L4（+）到STM32L5为54页，STM32L5至STM32U5则为98页，足足多了一倍，也证明STM32U5具有的跨时代性的变革。而据STM32设计总监Patrick Aidoune介绍，该产品总计涉及到的设计者超过了300名。

那么此次推出的STM32U5，作为U系列平台的首款产品，究竟实现了哪些新特性？就让曹锦东与彭祖年带工程师们逐一解读。

低功耗与高性能的统一

首先直接给出EEMBC ULPMark的评分，涵盖了不同模式下的功耗分析，STM32也是目前唯一公布全部4项分数的品牌，也证明了其对于全场景低功耗的信心。彭祖年表示，客户有不同的应用场景，有些是高负载工作，有些则是长待机应用，因此单纯的对比µA/MHz并不能适用于每个客户。通过提供不同工作场景的打分，客户可以更好地进行参考。

除了采用更先进40nm工艺并同时改善了漏电流和动态电流之外，STM32U5改善了功耗管理模式，增加了低功耗后台自主模式（LPBAM，Low Power Background Autonomous Mode），和一些可以在低功耗下运行的外设和功能。

STM32U5中有16kB SRAM作为低功耗后台的自主模式的存储空间，可以在CPU休眠的情况下，将I2C、SPI、串口、ADC等外设数据通过LPDMA传送至其中，然后当数据累积到一定数量时再唤醒CPU进行一次性批处理。通过避免频繁唤醒CPU，从而达到节省功耗的目的。根据ST测试经典数据采集及唤醒处理的模型，可以将CPU唤醒的次数变成原来的1/10。

其次，则是集成了高频率的DC/DC以及LDO，通过集成高频率DC/DC，可减少VDD至内核供电的转换损耗，实现最优化的动态功耗和最快速的动态响应。而通过LDO，则可解决DC/DC启动时间较慢的弊端。

第三，则是类似LPRAM，提供分区的FLASH和SRAM，用户可以根据应用场景，将不常用的Flash关闭并按需开启，又或者通过降低FLASH读取速度降低功耗。

除了低功耗之外，高性能也是STM32U5的一大特色。高达160MHz的处理器，使得STM32U5系列已经达到了240DMIPS和651Coremark的性能评分，而同样采用Cortex-M33内核的上一代STM32L5主频为110MHz。

同时，为了进一步增强性能，STM32U5还集成了FMAC和Cordic数学运算加速器；用于优化内、外部存储上指令与数据吞吐Cache的Art加速器（8 kB指令Cache，4kB数据Cache）以及用于资源受限情况下的2.5D图形加速器Chrom-Art。

更多的功能安全和信息安全

“Cortex-M33是Arm v8架构专门为高数据安全应用所开发的，加入了TrustZone技术，就是为了满足物联网的高安全应用，但实际上我们看到目前MCU还没有做到足够的安全性。”曹锦东说道。

也正是如此，STM32U5在L5的基础上，额外增加了更多的安全功能，以确保物联网的安全性。

“单单内核的隔离或TrustZone的支持显然是不够的。”彭祖年表示。因此，除了内核隔离之外，STM32针对产品内部的存储、总线以及外设都做了隔离配置的设计。

此外，STM32U5还增加了更多的安全加密的功能，以及全程可控的多层保护状态机。存储保护则特别针对内部存储防篡改，增加了OTP空间，以及主动式防侵犯的active tampering的设计。

PSA Level3需要同时可以防止软件和硬件两方面的攻击，因此STM32U5特别增加了防止边界攻击的AES模块。

彭祖年表示，Arm针对PSA Level3认证的要求，需要芯片在安全的框架下还需要一个非可变的信任根，有了信任根，STM32U5上所支持的安全启动才能基于这个安全的根基发挥功能。针对这样的安全启动特性，ST提供了相关的参考代码，可以帮助用户实现相关的安全启动以及安全的固件加载和安全的固件更新。

如果需要用到TF-M （Trusted Firmware for Cortex-M）架构，除了针对TrustZone可以把内部的服务和软件区分成可信区和非可信区之外，同时也可以在软件权限上设置管理员权限和用户权限。在管理权限下，可信区内也有PSA模块化的本地安全服务可以提供，这里面包括了更多和加解密相关，安全存储相关，可信区初始化以及证书初始化等功能模块。这些对于通过PSA第三级认证以及实现一个TF-M可信的固件框架相当重要。

STM32U5同时提供安全固件加载功能。客户把软件设计好之后，授权第三方生产，无法保证软件的安全。ST通过内部的SFI生产流程，可以帮助用户在第三方的烧录环境下，严格控制烧录固件的安全和烧录的数量控制。

因为增强了防篡改和软件保护功能，STM32U585还适用于控制PIN交易安全（PTS）设备，这种设备必须满足支付卡行业安全标准委员会（PCI SSC）的技术要求。作为一种安全通用MCU，STM32U585为开发者提供了一个简化销售和自助支付终端的设计生产的整体解决方案。

获得“PTS官方批准设备”标志的产品通常需要专门用于防御在线攻击和边带攻击的安全芯片，还要单独用一个MCU管理键盘、显示器和USB连接等功能。现在，STM32U585单片整合了这所有功能，从而简化了产品设计，并优化了从采购和库存管理到最终组装的生产物流。终端制造商还可以根据PCI PTS v6等适用标准更快、更轻松地测试认证产品。

更强大的存储单元

作为MCU选型来讲，处理速度是一方面，存储则是另外一个重要的指标。

STM32U5除了利用分区实现低功耗之外，存储空间还得到了进一步的扩大。

如图所示，STM32U5的Flash规划从128kB至4MB，将极大扩充用户的选型。同时，Flash中最高包含0.5MB具有100，000次读写能力的Flash，为用户数据保存提高可靠保证，其余部分则为传统的10，000次。

而SRAM则为786kB，并且支持ECC，从而满足关键安全应用。

同时，STM32U5还采用了一直以来的可变静态存储控制器FSMC，以及OctoSPI，从而支持更灵活的外部存储扩充。

更精确的模拟外设

针对下一代感测和跟踪应用，新系列产品还提供了先进的高速14位模数转换器（ADC）。

多功能数字滤波器（MDF）和音频数字滤波器（ADF）则取代了ST的Sigma-Delta调制数字滤波器（DFSDM）。极大提高了声音检测功能，通过提高声音活动检测性能，并结合LPDMA低功耗特性，这些功能让用户能够轻松将语音唤醒功能集成到基于低成本、低功耗微控制器的应用场景。

更丰富的生态系统

一直以来，STM32就在致力于建设完善的生态系统，如今随着STM32U5的正式发布，配套的评估板、IoT探索套件以及Nucleo最小系统都已配套发售。目前，根据存储空间、硬件加密以及封装形式不同，ST已经推出24个型号的STM32U5。

值得一提的是IoT探索套件，包括STM32U585主处理器，还增加了很多的传感器以及音频麦克风。针对无线功能，则有基于STM32WB蓝牙和ZigBee模组，以及由庆科信息开发的WiFi无线模组，实现更轻松的物联网无线连接。

而针对开发套件，除了STM32Cube软件套装之外，ST也与微软于2020年宣布针对Azure的合作，STM32Cube生态系统直接使用Azure RTOS套件，支持更多的应用代码示例，以及更多的中间件，包括操作系统、文件系统、TCP/IP协议、USB协议等。以往都需要通过不同第三方获得的资源，如今一切都可以免费并一站式获取。

在Github上，ST也共享了STM32Cube嵌入式软件，工程师可以更快跟踪相关信息。彭祖年同时透露，2021年四季度针对LPBAM，将推出相应的配置工具。

总结

STM32U5是ST针对低功耗领域一款跨时代的产品。曹锦东也表示，低功耗的MCU要经过仔细打磨。也正因此，为了确保完美发挥Cortex-M33 v8架构的所有优势，ST采取稳妥的策略，一步步进行优化，先推出L5，作为U5和L4的桥梁，再通过进一步迭代，以确保交付完整且优化的产品线。

而U系列相比L系列无论从工艺还是微架构上都实现了重大升级，绝不是类似于L4至L4+的小改款。因此尽管ST没有官方统一答复，但我更愿意相信U系列代表了Ultra，因为无论是功耗、安全还是性能，U系列都做到了低功耗MCU的极致。

编辑：jq