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矛与盾的传说--STM32L476 NUCLEO测评

By netlhx

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STM32L476 NUCLEO开发评估板粉墨登场。该板使用的是STM32L476RG微控制器，LQFP64封装，基于CORTEX-M4内核。

STM32L4系列宣传的卖点之一便是超低功耗，偏偏使用的又是性能比较强劲的CORTEX-M4内核。这样看来，是否有点“又要马儿跑，又要马儿不吃草”的味道？本文试图一探究竟，解开STM32L4的矛盾江湖！

江湖小生

STM32L476是ST公司推出的新一代低功耗产品，基于ARM CORTEX-M4高性能内核，最高运行频率可达80MHZ。CORTEX-M4内核集成了FPU支持，可以实现单精度浮点数据类型及计算。下面是STM32L4系列的全家福。

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可以看出，L4系列MCU的引脚涵盖64到144针范围，FLASH/SRAM组合则从低端的256K/128K到高端的1M/128K都有备选，能满足各种不同的产品需求。L486与L476的主要区别在于，L486系列带有128/256位AES硬件加密功能。

因为基于CORTEX-M4，所以CORTEX-M4的特性，STM32L4都有，正如歌词所唱：你有我有全都有哇！但这里我们对于CORTEX-M4的特性，不多说。

因为是超低功耗产品，STM32L4还有很多专为低功耗设计的新特性，你没有看错，是很多！先看看ST自己怎么说，见下图。

例说几个专为低功耗设计的特性。

• l  MSI时钟 这是L系列独具的，能提供12种不同频率的时钟源，它派生自内部时钟，范围可以从100KHZ到48MHZ之间变化
• l  8种低功耗运行模式，除了传统的睡眠、停机、待机模式外，新增了几种低功耗模式，如关闭（SHUTDOWN）模式，低功耗运行模式等。
• l  独立且更丰富的供电选择 相对于非低功耗产品而言，L4系列除了对内核提供的供电模式有变化外，还专门为VDDA，VDDUSB，VDDIO2，VLCD，VBAT提供了独立的电源接口
• l  LPUART 低功耗串行接口
• l  LPTIM 低功耗定时器
  
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性能如何？

按ST自己的说法，STM32L4提供了高达1M/128K的FLASH/SRAM组合，在FPU及DSP指令的支持下，能全面释放STM32L4的性能。如果运行在80MHZ的频率下，借助ART技术，STM32L4能达到100DMIPS/273COREMARK的水平。

似乎，ST在功耗与性能方面又找到了一个新的支点。

雾里看花

粗略看看STM32L476 NUCLEO评估板。一如既往的简单塑封包装，简单实用。

看图说话。

引出全部引脚/经典的蝶形ARDUINO兼容接口

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STM32L476 NUCLEO主要特性一览

• l  LQFP64封装的微处理器STM32L476RG
• l  两种类型扩展接口 ARDUINO UNO R3兼容接口；STM32 NUCLEO经典蝶形扩展接口，引出全部引脚
• l  支持MBED开发
• l  板载STLINK/V2-1 支持VCP
• l  灵活的供电接口选择 支持3.3V, 5V, 7-12V供电
• l  板载3个LED灯 用来指示开发板工作状态，其中LD2可用户编程控制
• l  两个用户按钮 实现复位及用户控制
• l  USB可重新枚举 实现三种不同功能：虚拟串口、大容量存储设备支持、调试
• l  丰富的编程环境支持 包括IAR，MDK，其它基于GCC的编程环境
  
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L4系列有许多重要的特性，有些是传统的技术改进，有些则是全新的技术。如时钟树里面的MSI时钟；全新的低功耗模式的引入，低功耗UART及TIM等，所有这一切，都是围绕超低功耗这个目标。

灵活的供电支持

L4为下列接口提供了独立的电源接口，使它们与VDD独立开来。

• l  VDDA=1.62V(ADC/COMS)/1.8V(DAC/OPAM)-3.6V，VDDA与VDD完全独立开来，配置更加灵活。
• l  VDDUSB=3.0-3.6V，独立的外部供电接口，与VDD独立
• l  VDDIO2=1.08V-3.6V，为PG[15:2]等14个IO口提供了完全独立的外部供电
  
  

还有其它一些，不一一列举，这样设计的结果是，外设的供电与VDD完全独立，供电机制更灵活了，许多外设都可以有自己的专用电源，即使VDD停止，外设仍然可以正常工作。

MSI时钟

MSI是Multispeed internal RC oscillator的缩写，它能提供12种不同的时钟，其范围可以从100KHZ到48MHZ之间变化。MSI可以直接选择为系统主系统时钟，也可以作为PLL源，经倍频后选择作为系统的主系统时钟。这样，系统的工作时钟选择范围更广，从而为低功耗提供更多的选择。

8 q$ F, |# D2 @9 s% V低功耗模式

L4对已有的低功耗模式进行了改进，设计了更多低功耗工作模式。

• l  低功耗运行模式 运行模式也能低功耗，在这种模式下，电压调节器可配置为低功耗模式，不过要求系统主频不能超过2MHZ。
• l  低功耗睡眠模式 该模式只能从低功耗运行模式进入，进入低功耗睡眠模式后，可以通过事件或中断唤醒，唤醒后继续进入低功耗运行模式。
• l  睡眠模式 CPU停止运行，外设正常工作，可以通过事件或中断唤醒CPU
• l  停机模式1及停机模式2 在停机模式上，所有的内核域时钟都被停止，但LSE及LSI被保留。该模式又分为模式1和模式2。在停机模式2下，大多数外设工作在漏电流模式下。而停机模式1则保留尽可能多的活动外设及唤醒源，因此，该模式会消耗更的电源，但唤醒时间相应会比较短一点。
• l  待机模式 该模式直接关断内核电源，这样，整个内核实际处理断电状态。
• l  关机模式（SHUTDOWN） 这是功耗最小的一种模式，也是一种非常极端的模式。该模式唤醒后MSI工作于4MHZ。
  
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各种运行模式之间可以通过软件或事件及中断来切换，下面是各运行模式之间的状态转换图。

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低功耗串口LPUART

L4内嵌一个低功耗串行通信接口，能够以非常低的电源消耗来实现异步通信。它支持单线的半双工通信模式及调制解调器模式。LPUART有自己独立的时钟源，因此，可以在停机模式下使用它来唤醒CPU，使用一个独立的LSE，可以实现停机模式下以9600波特率来接收外部信息。

低功耗定时器LPTIM

低功耗定时器也可以有自己独立的时钟源，这得益于L4独特的时钟系统树。经过配置，LPTIM甚至可以在没有内部源的情况下独立工作。同时，像LPUART一样，也可以使用LPTIM来唤醒系统。一个典型的应用就是将LPTIM配置成一个独立的计数器，在指定的时间超时之后唤醒系统。这样，系统大部分时间都处于睡眠模式，只在必要的时候才唤醒。

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其实，除了低功耗的这些特性之外，L4里面还出现了其它一些新的特性。如防火墙FIREWALL，互联矩阵INTERCONNECT MATRIX，四串行SPI接口QSPI。关于这些特性，请参考TRM。

牛刀小试

看了这么多的低功耗特性。是时候看一看具体的测试结果了。

手头除了STM32L476 NUCLEO之外，还有一块STM32F4-DISCO评估板。由于L4的某些低功耗特性在F4-DISCO板上并不具备，所以直接选择二者都具有的功能来比较，具体来说，就是选择测试正常运行及睡眠模式下的电流值作为比较参考依据。

在测试代码中，将未用到的GPIO口均设置为模拟输入，以最大限度的减少干扰及降低功耗。同时为了直观显示程序运行状态，使用了板载的LED来观测程序运行状态。

（测试代码略）

F4、L4不同模式下IDD测量值对比

BOARD	SYSCLK	MODE	IDD
F4	80MHZ	RUN	19.3MA
L4	80MHZ	RUN	12.5MA
F4	80MHZ	SLEEP	7.3MA
L4	80MHZ	SLEEP	3.7MA
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L4	4MHZ	LP-RUN	3.8MA
L4	4MHZ	LP-SLEEP	20UA

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上表列出了F4和L4运行在80MHZ下的IDD电流情况。可以看到，同样是正常运行模式下，L4测得的IDD电流比F4要小。在睡眠模式下，L4的表现更为突出。

上表的最后两组数据，是在L4分别处于低功耗运行模式及低功耗睡眠模式下的电流，发现低功耗运行模式下的电流几乎与睡眠模式下的电流相同了，而低功耗睡眠模式下的电流能达到20UA!

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补充说明：由于测试仪器精度有限以及测试方案比较粗糙，所以上表的意义，对比意义远远大于具体的数值意义！

江湖之觞

STM32L476 NUCLEO开发板，结合ST现有的生态系统，特别是结合STM32CUBEMX，能让我们迅速认识并对STM32L4系列产品进行简单评估，为产品选型提供科学依据。STM32L4系列产品，是ST对低功耗特别是超低功耗的一次非常有意义的更新。在超低功耗与产品性能之间试图寻找一个最佳的结合点。产品对性能的追求是无止境的，然而节能与功耗的问题，却一直是产品设计研发中比较难以取舍的两个要素，ST勇敢的跨出并试图跨越这一门槛。从产品设计的出发点，到L4上实现的一系列改进或新推出的低功耗功能，都让我们看到新的曙光，使用普通电池为MCU供电似乎不再遥远！

然而，高性能与低功耗这一矛与盾的传说，仍将永远是江湖之觞。

ST已经迈出了这一步，让我们期待，STM32L4会走得更远！

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2015-9-18 09:11 上传

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喜讯！！！

ST MCU社区（www.stmcu.org.cn）即将推出NUCLEO-L476RG开发板申请活动，敬请关注！

# ?: v4 i" w9 i! v' Q) I7 y% d: _) [, y5 I

文章写得比较好，有数据有说服力。

咋没看出来矛和盾的关系呢。我看F系列就是强MCU，低功耗的战绩也保持得不错，在应用中外设耗电普遍大于MCU，高集成高性能就是更低的综合功耗。

其实ST的芯片已经做的不错了，但对于新的CubeMx库，例子太少，尤其对低功耗方面的操作就更缺乏，
而且代码执行效率没有旧库这么高

谢谢楼主，棒棒哒

谢谢分享，版主好厉害！

拜读大神文章。字字看着通透

文章写得比较好，有数据有说服力。

沐紫 发表于 2015-9-18 09:13
. \/ @, E) I% p' V谢谢楼主，棒棒哒

7 u6 x) Z, n* \6 ?6 @5 z谢谢！

creep 发表于 2015-9-18 09:13
谢谢分享，版主好厉害！

3 m* n3 A4 c8 N1 H感谢，一起学习

安臣 发表于 2015-9-18 09:21
拜读大神文章。字字看着通透

高手不露相，露相非真人，你们才是真正的高手！

yanhaijian 发表于 2015-9-18 09:22
2 S& q0 `* C7 U7 `# d7 b8 ]文章写得比较好，有数据有说服力。

$ P5 m, a2 h) X感谢，欢迎指正！

楼主对比的STM32F4是哪个型号的，看运行功耗和F411一致，L4相比F411可以对比测评

楼主厉害

很强大的MCU

hanmcustm 发表于 2015-9-18 10:16
楼主对比的STM32F4是哪个型号的，看运行功耗和F411一致，L4相比F411可以对比测评 ...

% N  H+ p$ ~% D6 z- o4 qF4-DISCO

风子 发表于 2015-9-18 10:22
# L! t1 g0 i- E1 L6 f楼主厉害

谢谢，摸石头过河，估计加统计写出来的