破解MCU超低功耗难题，ST新一代U5靠什么制胜？

作者：迎九（《电子产品世界》编辑）时间：2021-12-13来源：电子产品世界收藏

随着可穿戴、个人医疗、家庭自动化和工业传感器等智能设备的增长，对低功耗、高性能、高安全性的MCU（微控制器）的需求日益提升。2021 年3 月，意法半导体（ST）在其经典的超低功耗L 系列基础上，推出了新一代产品线——STM32U5。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202112/430270.htm

U5 采用了多种超低功耗技术。不久前，ST 中国区微控制器事业部市场及应用总监曹锦东、ST 中国区微控制器产品市场经理彭祖年向电子产品世界等媒体揭开了其庐山真面目。

1 U5的3个特点

STM32U5 的定义是一个低功耗旗舰级产品线，最大的3 个特点：①超低功耗。②在超低功耗平台上提升了性能，是基于高性能和超低功耗两者结合的集合。③增强了安全可靠方面的功能，适合IoT 应用。为了研制U5 产品线，ST 内部花了漫长的时间在研发，创新不仅在工艺（注：达到40 nm），在IP 还包括整个架构的设计，使该低功耗产品线能够支持到现在的

消费电子、可穿戴以及工业控制领域。

2 对功耗的偏见

U5 对超低功耗和高性能有很好的结合。其节能成绩单如下图。这是在第三方EEMBC ULP Benchmark 上面得到的测试结果。该测试结果不仅包含了运行状态下对性能的评估，同时也将芯片在各种模式下的功耗水平综合体现出来。

这里纠正一个偏见：很多用户可能会比较关注超低功耗产品的μA/MHz 参数，但该参数是在运行状态下，以及特定场景中针对CPU 耗电量的评估，并不能代表系统整体的功耗水平。为了实现低功耗，我们要看什么应用方向，该应用方向里它需要什么外设的工作，所需要系统采用的功耗模式该怎么做？例如手表，佩戴后一直在采样数据，抬手时就要显示数据，但可能平常走路时没有抬手，就没有显示，CPU 是睡眠的。再例如，有些表计用CPU 每个月只要醒几次就可以了，但是外设也一直在做数据的采集。ST所M3以2U不5 U同LP模B式EN的CH功节耗能不成一绩单样。

所以，如何参考系统整体功耗水平，可以将目光转移到ULP Benchmark 的评比上，它会针对不同的测试状况，去综合评估系统的运行性能、运行功耗、休眠状态和唤醒时的功耗。在一些测试的项目中，还会包括针对芯片外设功耗的评估。与前几代STM32 L 系列超低功耗产品线进行对比后，可见U5 系列已经达到了240DMIPS 和651Coremark 的性能评分（如下图）。同时，为了进一步挖掘U5 性能的潜力，U5 上还有数学运算加速器、ART 加速器等单元，以辅助和加速整个芯片内部运算系统的效率。

其设计难点在于：对于STM32，从过去的L1 到L0、L4、L5，① ST 有最新的工艺，从过去的110 nm到90 nm，直到现在的40 nm 工艺，可能工艺本身也会带来动态功耗的节约；然而，静态功耗却是相反的，这是两个相悖的数据。②外设方面也做了更精确的设计，这是系统性的问题。

可以看到，U5 的系统复杂性比以往更高，要保持同样的主频上，功耗要更低其实是很难的挑战。

3 为何功耗更低？

节省功耗需要考虑多种因素（如下图），需要更多的功耗模式与更多的节电小技巧。

1）休眠模式下仍可工作

针对低功耗，STM32U5 有一个特殊的功能：低功耗后台的自主模式。即当芯片进入低功耗模式时，CPU是需要断电的，但产品外面可能还会搭载很多的传感器。这些传感器的数据可能会实时地输入到主控芯片这一侧。通常情况下，该传感器的数据传输是需要系统或CPU 来进行数据处理，但U5 设置了一个独特的外设，可以将很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC 等外设上的数据，在不唤醒CPU 的情况下，搬运至MCU 内部一块SRAM4，约有16kB 的空间。当这些数据累计到一定数量时，再唤醒Cortex-M33 内核进行一次性的批处理。

这里带来的体验是：不需要频繁地唤醒CPU，只使能外设，其功耗是非常低的。因为从外部的传感器获取数据，避免了中间频繁的唤醒。ST 做了大概的测试，类似于经典数据采集以及唤醒处理的模型，大约可将CPU唤醒的次数降为原来的休1/10。

在芯片内部功耗管理下面，有更多灵活的功耗模式可供客户选择。其中一个经典的应用场景是Stop 模式，同时保存部分SRAM 或全部SRAM 中的数据。这样的状态下，功耗是个位数的μA 级。

2）U5 芯片上更多省电的小技巧

可以通过内置的SMPS 降低CPU 的内核供电电压。

在不同功耗模式下切换，也可以达到μs 级的切换速度。

SRAM 和Flash 都可以让用户自己去选择究竟可以保留多少的空间，这样用户可以根据自己实际应用情况来进一步避免不必要的能量损失。值得一提的是，内部的Flash 是双bank 设计的，可将不常用的bank 在低功耗模式下断电，这样功耗可以节省40 μA 左右。但是当指令跳转到被断电的Flash Bank 上时，系统是可以自动唤醒的，只需要等待5μs 的延时。或者可以把内部的Flash 通过损失一些读取速度的方式去让它进入一种低功耗的模式，大概可以减少系统先进45且μ灵A活的的能低耗功。