作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-04

消費品、工業、智慧城市和醫療保健等應用領域對智能產品的要求日漸增多，導致開發人員面臨諸多挑戰。每種應用都對性能、安全性、超低功耗、長距離無線連接和成本提出了獨特的要求。由于市面上的微控制器 (MCU) 解決方案的功能不足以滿足應用要求，開發人員往往不得不在這些要求上做出妥協。

本文介紹了 [STMicroelectronics]的一組處理器解決方案，這些解決方案可提供合適的性能組合、電池續航時間、安全性和無線連接，這些要素對于成功設計各種應用至關重要。

滿足嚴格的安全要求

STMicroelectronics 的 [STM32H7R/S] Bootflash MCU（圖 1）為工業、消費電子、智能城市和醫療保健應用領域的諸多智能產品提供了所需的高性能、圖形處理能力、安全性和精簡的物料清單 (BOM)。這些 MCU 采用了 600 MHz 的 [Arm?] Cortex?-M7 處理器和雙精度浮點單元 (FPU)，具有集成的圖形處理能力、安全子系統以及一整套外設和連接接口。

圖 1：STM32H7R/S bootflash MCU 集成了高性能 Arm Cortex-M7 以及一套完整的外設、功能模塊以及專業功能，可滿足安全智能產品的需求。（圖片來源：STMicroelectronics）

除了處理器的 L1 高速緩存（包括 32 KB 指令高速緩存和 32 KB 數據高速緩存）之外，這些 MCU 還配備了 620 KB 靜態隨機存取存儲器 (SRAM)、64 KB 嵌入式閃存和用于高速訪問外部存儲器的多個接口。這種做法將 SRAM、嵌入式閃存和外部存儲器訪問與就地執行 (XiP) 功能相結合，為開發人員實施高性能且安全的嵌入式系統提供了高度的靈活性。

為了確保應用在外部存儲器中安全運行，STM32H7S MCU 還集成了三個存儲器加密引擎 (MCE)，可在外部非易失性或易失性存儲器上執行即時加密和解密，并為每個 MCE 提供多達四個不同區域的編程訪問控制。STM32H7S MCU 還具有其他基于硬件的安全功能（包括差分功率分析和邊信道攻擊防護），已通過 SESIP 和 PSA 保證等級 3 級認證。

為確保可靠執行中斷服務例程等時間關鍵型任務，部分 SRAM 被映射到 MCU 的緊密耦合存儲器 (TCM) 接口，為關鍵指令和數據提供零等待狀態存儲器。為確保系統完整性，這款 MCU 將多種安全功能與嵌入式閃存相結合，可實現安全啟動和應用完整性檢查，為片上或片外存儲器中運行的系統和應用軟件提供信任根 (RoT)。當與適當的基于硬件的保護機制相結合時，這種使用嵌入式閃存來儲存受信任引導程序的方式，相較于傳統 MCU 中所使用的只讀存儲器 (ROM)，具有顯著的靈活性。

多種安全啟動路徑

為了提供對系統安全至關重要的 RoT，安全啟動依賴于始終在系統復位后立即運行的受信任不可變代碼。該代碼可確認只有受信任的軟件才能在系統啟動序列的下一階段運行。在使用 STM32H7R/S MCU 來構建受信任系統時，開發人員可以選擇多種路徑來實現安全啟動。他們既可以使用預先建構的 RoT 固件，也可以自行控制啟動序列 (圖 2)。

圖 2：STM32H7R/S MCU 提供多種啟動路徑以簡化開發工作。（圖片來源：STMicroelectronics）

系統復位后，所有 STM32H7R/S MCU 都會運行位于受保護系統閃存中的受信任根安全服務 (RSS)，開始啟動序列。后續的啟動序列步驟取決于 MCU 的類型和開發人員選擇的啟動路徑。在每個啟動路徑中，STM32H7R/S MCU 都會使用隱藏保護級別 (HDPL) 機制來確保每個啟動級別的暫時隔離。當啟動序列從一個啟動級別過渡到下一個啟動級別時，HDPL 計數器會遞增，同時與上一個啟動級別相關聯的資源會對當前級別保持隱藏狀態。

在整個啟動序列中保持 RoT

在基于 STM32H7R 的生產系統的啟動路徑中，RSS 會在系統復位后立即運行。RSS 運行位于用戶閃存中的原始設備制造商 (OEM) 不可變 RoT (iRoT) 固件。由于 HDPL 會在這一級別遞增，因此 RSS 會對負責下一啟動序列步驟的 OEMiRoT 固件保持隱藏狀態。如果應用程序的設計支持可更新的 RoT (uRoT) 固件，則 OEMiRoT 將從外部存儲器運行 OEMuRoT 固件。在最后階段的啟動序列中，OEMiRoT（或可選的 OEMuRoT）固件將運行應用代碼。HDPL 機制可確保 RSS、OEMiRoT 和可選的 OEMuRoT 都對應用保持隱藏狀態。

基于 STM32H7S 的生產系統可配置為遵循與 STM32H7R 系統類似的啟動路徑，由開發人員完全控制啟動過程。借助 STM32H7S MCU，開發人員還可以選擇高度安全的路徑，調用位于受保護系統閃存中的預先構建 STMicroelectronics iRoT (STiRoT) 固件。

在啟用 STiRoT 的啟動路徑中，位于受保護嵌入式閃存中的例程 (iLoader) 會將下一啟動級別的代碼加載到內部 SRAM 中。然后，STiRoT 會檢查代碼的完整性和真實性，再確認是否允許執行代碼。對于單階段啟動路徑，iLoader 會將應用代碼加載到 SRAM 中。對于雙階段啟動路徑，iLoader 會將 OEMuRoT 從外部閃存加載到 SRAM 中。

一旦加載到內部 SRAM，STiRoT 即會檢查應用代碼 (或 OEMuRoT 固件) 的完整性和真實性，這樣做可以避免在驗證外部存儲器中的代碼期間遭受攻擊的風險。完成驗證后，OEMuRoT 會在執行應用前對應用代碼進行完整性和真實性檢查。開發人員可以輕松擴展這種雙階段啟動路徑，以驗證應用代碼的更新，甚至 OEMuRoT 固件的更新（圖 3）。

圖 3：STM32H7S MCU 通過多步驟流程實現安全更新和安全啟動，旨在確保代碼在流程中每個步驟中的完整性和真實性。（圖片來源：STMicroelectronics）

在生產系統正常運行期間，STM32H7R/S MCU 中的嵌入式閃存處于關閉狀態，在此狀態下配置 RoT 固件并執行有效的啟動項。此外，這些 MCU 還提供總共四個 PRODUCT_STATE（產品狀態），以支持整個產品生命周期（圖 4）。

| | 產品狀態 | 選擇產品狀態 | 說明 |
| -------------------- | --------------------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 開啟 | NVSTATE = OPEN | 此狀態提供代碼調試功能，允許進行產品開發。使用啟動引腳可啟動引導程序。 |
| 配置 | NVSTATE = CLOSE
OEM_PROVD=!0xB4
and/or
DBG_AUTH = Not set (!0xB4, !0x51, !0x8A) | 此狀態允許進行產品配置（部分或全部）。可在此狀態下啟動安全固件的安裝，或啟動引導程序來配置產品。不允許從 SRAM 啟動。 |
| 關閉 | NVSTATE = CLOSE
OEM_PROVD=0xB4
DBG_AUTH=0x51 或 0x8A | 此狀態表示產品配置已完成。此狀態允許對現場維修的調試驗證提供支持（請閱讀專門的應用說明）。 |
| 鎖定 | NVSTATE = CLOSE
OEM_PROVD=0xB4
DBG_AUTH=0xB4 | 此狀態表示不允許進行產品配置。產品最終會處于此狀態。 |

圖 4：STM32H7R/S MCU 處于四種產品狀態之一，這四種狀態用于支持整個產品生命周期。（圖片來源：STMicroelectronics）

開發人員可以通過以下三種方式控制產品狀態：

• 非易失性狀態 (NVSTATE)：將閃存設置為開啟或關閉狀態
• OEM 已配置 (OEM_PROVD)：定義安全隱藏保護 (HDP) 區域的穩定性，可確保在該區域中執行的代碼在啟動后保持隱藏狀態
• 調試驗證方法 (DBG_AUTH)：定義用于開啟設備調試的方法

通過這四種狀態，STM32H7R/S MCU 可支持產品生命周期中每個關鍵階段（即產品開發、產品制造和現場部署）的安全要求（圖 5）。

圖 5：隨著產品從開發和制造階段過渡到現場使用階段，STM32H7R/S MCU 能夠保護嵌入式閃存中的敏感代碼和數據，同時在必要時提供經過身份驗證的調試訪問。（圖片來源：STMicroelectronics）

實際上，調試身份驗證提供了強大的安全功能，旨在應對產品生命周期支持所面臨的實際挑戰。對于在關閉狀態下運行的生產系統，開發人員可以使用身份驗證協議，允許安全調試器在受限的調試會話中重新開啟訪問，而不會影響到 RoT。在完全回歸調試中，不能保證代碼和數據的安全性。

滿足智能產品對增強型用戶界面的需求

盡管安全仍然至關重要，但智能產品依賴于日益復雜的圖形用戶界面 (GUI)。STM32H7R/S MCU 利用集成圖形加速器來滿足這一要求。這些加速器包括 STM32H7R3/S3 MCU 中的 Chrom-ART 加速器和 STM32H7R7/S7 MCU 中的 NeoChrom 圖形處理單元 (GPU)。雖然 2D Chrom-ART 加速器和 2.5D NeoChrom GPU 均支持多種繪圖和位圖傳送操作格式，但 NeoChrom GPU 還支持紋理映射所需的操作（圖 6）。

| | 圖形功能 | Chrom-ART | NeoChrom GPU |
| ------------------------ | -------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 支持的格式 | ARGB8888、ARGB4444、ARGB1555、RGB888、RGB565
A8、A4、L8
AI44、AI88
CLUT（256 個條目）、YUV | RGVA8888、ARGB8888
RGBX8888、XRGB8888
RGB888、RGB565、RGBA55551
A8、A4、A2、A1
壓縮 TSc4、TSc6 和 TSc6A |
| 基于命令列表 | 否 | 是 |
| 繪圖 | 矩形填充 | 矩形填充
像素、線條、三角形、四邊形繪圖
8xMSAA 抗混疊 |
| 位圖傳送 | 復制
Alpha 混合
像素格式轉換 | 復制
Alpha 混合、摳色
像素格式轉換 |
| 紋理映射 | 否 | 任意角度旋轉
縮放
鏡像輸出
三維透視校正投影
利用雙線性采樣和點采樣進行紋理映射 |

圖 6：STM32H7R3/S3 MCU 中的 Chrom-ART 圖形加速器和 STM32H7R7/S7 MCU 中的 NeoChrom GPU 可提供智能產品 GUI 所需的圖形性能和功能。（圖片來源：STMicroelectronics）

在評估和開發方面，STMicroelectronics 為 STM32H7R3 提供了[NUCLEO-H7S3L8]STM32 Nucleo-144 開發板，并為 STM32H7S7 提供了[STM32H7S78-DK]Discovery 套件。

Nucleo-144 板專為進行快速原型開發而設計，包含集成的 ST-LINK 調試器/編程器，并提供 LED、按鈕和多個板連接器選項。STM32H7S78-DK Discovery 套件提供 Wi-Fi、多個 LED 和按鈕、一個板載 STLINK-V3EC 調試器/編程器以及多個板連接器（包括兩個 USB Type-C? 連接器和一個以太網 RJ45 連接器）。

在軟件開發方面，STMicroelectronics 為其 [STM32Cube] 生態系統增添了 [STM32Cube MCU]套件。除了硬件抽象層 (HAL) 模塊、板級支持包 (BSP) 和低層寄存器級應用編程接口 (API)，STM32Cube MCU 套件還提供中間件組件、連接棧和示例代碼。在圖形開發方面，該公司提供了 [X-CUBE-TOUCHGFX] 圖形框架，其中包括：

• 用于圖形應用開發和模擬的 TouchGFX Designer 工具
• TouchGFX Engine 硬件加速型圖形庫
• TouchGFX Generator 生成器，該生成器是 STM32CubeMX 插件，可讓開發人員配置和生成 TouchGFX Engine 用于訪問底層硬件和操作系統的 TouchGFX 抽象層

確保延長電池續航時間

在許多應用領域中，最小功耗和最長電池續航時間仍然是關鍵設計動因。STMicroelectronics 推出的 STM32U0 系列 MCU，專為滿足眾多基礎工業、醫療、智能計量和消費性應用對節能和更長電池續航時間的需求而設計。STM32U0 MCU 系列以超低功耗 56 MHz Arm Cortex-M0+ 處理器為核心，有三個不同的子系列，可讓開發人員選擇其設計所需的最佳 SRAM、閃存和外設配置。

[STM32U031]系列提供最精簡的配置，具有 12 KB 的 SRAM、高達 64 KB 的閃存，以及多個定時器、模擬外設和連接選項（圖 7）。

圖 7：STM32U0 MCU 系列的三個子系列是在 STM32U031 MCU 子系列的基礎上不斷增加功能。（圖片來源：STMicroelectronics）

[STM32U073]子系列擴展了 STM32U031 子系列的功能，增加了一個集成 LCD 控制器、多個額外的連接通道和模擬外設，同時還提供 40 KB 的 SRAM 和高達 256 KB 的閃存。[STM32U083]子系列則是在這些功能的基礎上增加了高級加密標準 (AES) 硬件加速器。

憑借高度集成，所有 STM32U0 系列 MCU 都實現了超低功耗性能。這些 MCU 在搭載其內部低壓差 (LDO) 穩壓器時，僅會消耗 52 μA/MHz 的電流。

開發人員可以從多種低功耗模式（包括三種停止模式）中進行選擇，以最大限度地降低電池供電應用的功耗。例如，在功耗最低的停止模式下，STM32U031 MCU 在運行實時時鐘 (RTC) 時僅消耗 630 nA，而在不運行實時時鐘 (RTC) 時僅消耗 515 nA。在同一停止模式下，STM32U073 和 STM32U083 MCU 在運行 RTC 的情況下僅消耗 825 nA，在不運行 RTC 的情況下僅消耗 695 nA。盡管如此，在 STM32U0 系列的所有三個子系列中，使用 24 MHz 喚醒時鐘從這種最低功耗工作模式進入運行模式時，閃存和 SRAM 分別只需 12.0 μs 和 7.67 μs。

盡管這些 MCU 采用超低功耗運行，但得益于其集成的自適應實時 (ART) 存儲器加速器，因此即使在處理器頻率為 56 MHz 時，也可以在零等待狀態下直接從閃存執行。

在開發支持方面，STMicroelectronics 提供基于 STM32U031 的 [NUCLEO-U031R8]評估板、基于 STM32U083 的 [NUCLEO-U083RC]評估板和基于 STM32U083 的 [STM32U083C-DK]Discovery 套件。與 STM32 系列的其他器件一樣，該公司的 STM32Cube 生態系統中的 STM32Cube MCU 套件提供 HAL 模塊、BSP、低層 API、中間件、連接棧和示例代碼。

提供長距離無線連接

高效的設計和 Sub-GHz 長距離無線連接，對于智能城市、農業、遠程計量、遠程感測和工業系統的物聯網 (IoT) 應用至關重要。其中許多應用即使在受到電網或機械等環境干擾的情況下也必須保持可靠的通信。這就必須使用抗干擾的長距離廣域網 (LoRaWAN) 連接。

STMicroelectronics 的 [STM32WL5MOCH6TR]模塊是經過 LoRaWAN 認證的解決方案，能夠在歐洲、亞洲和美洲運行。這種多區域運行能力仰賴于該無線電模塊滿足 868 MHz 歐洲標準和支持更高功率輸出的 915 MHz 北美標準。該模塊支持多種調制方案，其線性頻率范圍為 150 至 960 MHz，能夠滿足全球各種標準，以及 Sigfox、W-MBUS 和 mioty 等自行研發的通信協議。

STM32WL5MOC 模塊采用結合了 Arm Cortex-M0+ 和 Arm Cortex-M4 的雙核架構，將其靈活的無線電收發器、高達 64 KB 的 SRAM 和高達 256 KB 的閃存與全面的安全子系統、定時器、模擬外設、連接接口、控制功能以及用于嵌入式開關模式電源 (SMPS) 的無源元器件相結合。此外，[STM32WL5MOCH6STR]版本還包含 STMicroelectronics 的 STSAFE-A100 安全元件（圖 8）。

圖 8：STM32WL5MOC 模塊將其雙核架構與靈活的無線電、安全功能、多個功能模塊和無源元器件相結合，為 Sub-GHz 連接提供了即用型解決方案。（圖片來源：STMicroelectronics）

STM32WL5MOC 模塊具有廣泛的集成功能，并已通過 LoRaWAN 認證，可為設計人員提供即用型優化硬件解決方案，幫助其實現長距離無線應用。STMicroelectronics 利用一整套資源進一步加快了開發速度，其中包括[B-WL5M-SUBG1]擴展板，該擴展板集成了 STM32WL5MOC 模塊、4 MB 閃存、256 KB EEPROM、STMicroelectronics 發微機電系統 (MEMS) 傳感器、多個板連接器、LED 和按鈕。作為 STM32Cube 生態系統的一部分，[STM32CubeWL MCU]套件可支持 STM32WL 系列電路板進行軟件開發。

結語

消費品、工業、醫療保健和其他應用領域的智能產品在安全性、功耗、連接性和設計復雜性方面都有要求，而單一的微控制器很難滿足這些要求。STM32 系列 MCU 為設計人員提供了廣泛的處理選項，可根據不同的設計要求提供最匹配的解決方案。其電路板和軟件可為處理器提供支持并簡化開發工作。

審核編輯 黃宇