Feleljen meg hatékonyabban a felhasználási területek követelményeinek nagy integráltsági fokú ARM® Cortex® mikrovezérlők használatával

A fejlesztők számos kihívással néznek szembe, amikor az okostermékekkel szemben támasztott követelmények egyre szélesebb körének kell megfelelniük, többek között a fogyasztói, ipari, okosvárosi és egészségügyi felhasználási területeken. Minden felhasználási terület egyedi követelményeket támaszt a teljesítmény, a biztonság, a rendkívül kis fogyasztás, a nagy távolságú vezeték nélküli kapcsolatok és a költségek tekintetében. A fejlesztők túl gyakran kénytelenek kompromisszumot kötni ezen a téren, mert a felhasználási terület igényei és a rendelkezésre álló mikrovezérlők (MCU, microcontroller unit) képességei nem illeszkednek egymáshoz.

Ez a cikk az STMicroelectronics néhány olyan processzorát mutatja be, amelyek a felhasználási területek széles körében kielégítő teljesítménykombinációkat, akkumulátoros üzemidőt, biztonságot és vezeték nélküli csatlakozást tesznek lehetővé, segítve ezzel a sikeres tervezést.

A szigorú biztonsági követelményeknek való megfelelés

Az STMicroelectronics STM32H7R/S bootflash (azaz rendszerindító flashmemóriával ellátott) mikrovezérlők (1. ábra) nagy teljesítményt, grafikai funkciókat és biztonságot kínálnak és kevesebb kiegészítő alkatrészt tesznek szükségessé az ipari, fogyasztói elektronikai, okosvárosi és egészségügyi felhasználási területekre szánt számos intelligens termék esetében. A 600 MHz-es ARM® Cortex®-M7 processzoron alapuló, kétszeres pontosságú lebegőpontos egységet (FPU, floating-point unit) tartalmazó mikrovezérlők beépített grafikai processzorral, biztonsági alrendszerekkel, valamint perifériák és csatlakozási illesztőfelületek átfogó készletével vannak ellátva.

1. ábra: Az STM32H7R/S bootflash (azaz rendszerindító flashmemóriával ellátott) mikrovezérlők egy nagy teljesítményű ARM Cortex-M7 processzorra épülnek, és biztonságos okostermékekhez szükséges perifériák, funkcionális blokkok és egyedi képességek teljes készletével vannak ellátva (ábra: STMicroelectronics)

A processzorok L1 gyorsítótárán kívül, amely 32 kB utasítás- és 32 kB adatgyorsítótárat tartalmaz, ezek a mikrovezérlők 620 kB SRAM-mal, 64 kB belső flashmemóriával és a külső memóriákhoz való nagy sebességű hozzáféréshez szükséges illesztőfelülettel vannak kiegészítve. Az SRAM, a belső flashmemória és a külső memóriaelérés a helyben történő futtatás (XiP, execute-in-place) képességével kombinálva nagyfokú rugalmasságot kínál a fejlesztőknek a nagy teljesítményű és biztonságos beágyazott rendszerek megvalósítása terén.

A külső memóriában futó alkalmazások biztonsága érdekében az STM32H7S mikrovezérlők három memóriatitkosító motort (MCE, memory cipher engine) is tartalmaznak, amelyek menet közbeni titkosítást és visszafejtést végeznek a külső nem felejtő, illetve felejtő memóriákban, mindegyik memóriatitkosító motor esetén akár négy különböző memóriaterülethez való programozott hozzáférés-szabályozással. A további hardveres biztonsági funkciókkal, köztük a fogyasztáskülönbség-elemzés és más közvetett módon történő támadások elleni védelemmel kombinálva az STM32H7S mikrovezérlők SESIP és PSA 3. biztonsági szintnek megfelelő minősítésűek.

Az időkritikus feladatok, például a megszakításkiszolgáló rutinok megbízható teljesítményének biztosítása érdekében az SRAM egy része le van képezve a mikrovezérlő TCM-illesztőjére (TCM: tightly coupled memory, szorosan csatolt memória), amely várakozásmentes memóriaterületet kínál a fontosabb utasítások és adatok számára. A rendszer sértetlenségének biztosítása érdekében a mikrovezérlő több biztonsági funkciót kombinál a belső flashmemóriával, hogy lehetővé tegye a biztonságos rendszerindítást és a készülék sértetlenségének ellenőrzését, így biztosítva a lapkán belüli vagy azon kívüli memóriában futó rendszer- és alkalmazásszoftverek számára a megbízhatósági alappontot (RoT, root of trust). A belső flashmemóriának ez a megbízható rendszerbetöltő tárolására való használata megfelelő hardveres védelmi mechanizmusokkal kombinálva jelentősen nagyobb rugalmasságot nyújt a hagyományos mikrovezérlőkben használt ROM memóriához képest.

Többféle biztonságos rendszerindítási útvonal

A rendszer biztonságához elengedhetetlen megbízhatósági alappont létrehozásához a biztonságos rendszerindítás valamilyen megbízható megváltoztathatatlan programkódot használ, amely mindig azonnal lefut a rendszer újraindítása után. Ez a kód ellenőrzi, hogy a rendszer indítási sorrendjének következő fázisában csak a megbízható szoftverek futnak-e. Ha az STM32H7R/S mikrovezérlőket használva hoznak létre megbízható rendszereket, a fejlesztők többféle biztonságos rendszerindítási útvonal közül is választhatnak. Használhatnak előre gyártott megbízhatóságialappont-firmware-t (belső vezérlőprogramot), vagy vezérelhetik saját maguk a rendszerindítási sorrendet (2. ábra).

2. ábra: Az STM32H7R/S mikrovezérlők a fejlesztés egyszerűsítése érdekében többféle rendszerindítási útvonalat kínálnak (ábra: STMicroelectronics)

A rendszer alaphelyzetbe állítását követően minden STM32H7R/S mikrovezérlő a védett rendszer flashmemóriájában található megbízható biztonsági alapszolgáltatások (RSS, root secure services) futtatásával kezdi a rendszerindítási folyamatot. A rendszerindítási sorrend további lépései a mikrovezérlő típusától és a fejlesztő által választott rendszerindítási útvonaltól függenek. Az STM32H7R/S mikrovezérlők minden egyes rendszerindítási útvonal esetén a HDPL (hide protection level, a védelmi szint elrejtése) mechanizmust használják az egyes rendszerindítási szintek időbeli elkülönítésének biztosítására. Ahogy a rendszerindítási sorrend az egyik rendszerindítási szintről a következőre lép, a HDPL-számláló értéke nő, és az előző rendszerindítási szinthez tartozó erőforrásokat a rendszer elrejti az éppen használt szint elől.

A megbízhatósági alappont fenntartása a teljes rendszerindítási folyamat során

Az STM32H7R-alapú gyártási rendszerek rendszerindítási útvonalát választva a biztonsági alapszolgáltatások a rendszer újraindításakor azonnal lefutnak. A biztonsági alapszolgáltatások az eredeti berendezésgyártó (OEM) megváltoztathatatlan megbízhatóságialappont- (iRoT, immutable RoT) firmware-jét (OEMiRoT) futtatják, amely a felhasználói flashmemóriában található. Mivel a HDPL-számláló erre a következő szintre nő, a biztonsági alapszolgáltatások rejtve maradnak az OEMiRoT firmware előtt, amely a rendszerindítási sorrend következő lépését kezeli. Ha az készüléket úgy tervezték, hogy támogassa a frissíthető megbízhatóságialappont- (uRoT, updatable RoT) firmware-t, az OEMiRoT az OEMuRoT firmware-t külső memóriából futtatja. A rendszerindítási folyamat utolsó szakaszában az OEMiRoT (vagy az esetleges OEMuRoT) firmware futtatja az alkalmazáskódot. A HDPL biztosítja, hogy a biztonsági alapszolgáltatások, az OEMiRoT és az esetleges OEMuRoT mind rejtve maradjanak az alkalmazás előtt.

Az STM32H7S-alapú gyártási rendszerek beállíthatóak úgy, hogy az STM32H7R-rendszerekhez hasonló rendszerindítási útvonalat kövessenek, így a rendszerindítási folyamat teljes vezérlése a fejlesztőre marad. Az STM32H7S mikrovezérlőkkel a fejlesztők választhatnak egy rendkívül biztonságos rendszerindítási útvonalat is, amely a védett rendszer-flashmemóriában található előre gyártott STMicroelectronics iRoT (STiRoT) firmware-t hívja elő.

Az STiRoT használatára alkalmas rendszerindítási útvonal használata esetén a védett belső flashmemóriában található rutin (iLoader) tölti be a következő rendszerindítási szint kódját a belső SRAM-ba. A STiRoT ezután ellenőrzi a kód érintetlenségét és hitelességét, mielőtt engedélyezné annak futtatását. Az egylépcsős rendszerindítási útvonalak esetében az iLoader az alkalmazáskódot tölti be az SRAM-ba. Kétlépcsős rendszerindítási útvonalak esetén az iLoader az OEMuRoT firmware-t tölti be az SRAM-ba a külső flashmemóriából.

A belső SRAM-ba kerülve az alkalmazáskód (vagy az OEMuRoT firmware) érintetlenségének és hitelességének ellenőrzése a külső memóriában található kód ellenőrzése során bekövetkező támadás kockázata nélkül történik. A hitelesítést követően az OEMuRoT az alkalmazás végrehajtása előtt elvégzi az alkalmazáskódon az érintetlenség és a hitelesség ellenőrzését. A fejlesztők könnyen kiterjeszthetik ezt a kétlépcsős rendszerindítási útvonalat az alkalmazáskód vagy akár az OEMuRoT firmware frissítéseinek érvényesítésére is (3. ábra).

3. ábra: Az STM32H7S mikrovezérlők egy többlépcsős folyamat révén teszik lehetővé a biztonságos frissítést és a biztonságos rendszerindítást, mely folyamat célja a kód érintetlenségének és hitelességének biztosítása a folyamat minden egyes lépésénél (ábra: STMicroelectronics)

A gyártási rendszerek normál működése során az STM32H7R/S mikrovezérlők belső flashmemóriája, amelybe a megbízhatóságialappont-firmware be van töltve, Closed (Lezárva) állapotban van, és ki van kényszerítve az érvényes rendszerindításba lépés. Ezek a mikrovezérlők emellett összesen négy PRODUCT_STATE-et (gyártási állapotot) tesznek lehetővé, amelyek úgy vannak kialakítva, hogy a termék teljes életciklusát támogassák (4. ábra).

4. ábra: Az STM32H7R/S mikrovezérlők a termék teljes életciklusának támogatására tervezett négy PRODUCT_STATE termékállapot egyikében működnek (táblázat: STMicroelectronics.)

A fejlesztők háromféleképpen szabályozhatják a PRODUCT_STATE állapotot:

• Nem felejtő állapot (NVSTATE, non-volatile state), amely a flashmemóriát nyitott vagy lezárt állapotba állítja.
• Az eredeti készülékgyártó által üzembe állítva (OEM_PROVD, OEM provisioned) állapot, amely meghatározza a védelem biztonságos elrejtési (HDP, hide protection) területének stabilitását, és garantálja, hogy az ezen a területen végrehajtott kód a rendszerindítás után rejtve maradjon.
• Hitelesített hibakeresési módszer (DBG_AUTH), amely az eszköz hibakeresési rendszerének megnyitásához használt módszert adja meg.

Ezzel a négy állapottal az STM32H7R/S mikrovezérlők támogatják a termék életciklusa minden egyes kritikus fázisának biztonsági követelményeit. Ezek a fázisok: a termékfejlesztés, a termékgyártás és a helyszíni telepítés (5. ábra).

5. ábra: Ahogy egy termék a fejlesztésből és a gyártásból a felhasználási helyre kerül, az STM32H7R/S mikrovezérlők védeni tudják a belső flashmemóriában lévő kényes kódot és adatokat, miközben szükség esetén hitelesített hibakeresési hozzáférést tesznek lehetővé (ábra: STMicroelectronics)

A gyakorlatban a hitelesített hibakeresés olyan hatékony biztonsági funkciót kínál, amelyet úgy terveztek, hogy a termék életciklusa során kezelni tudja a gyakorlatban jelentkező nehézségeket. A lezárt állapotban működő éles gyártási rendszerek esetében a fejlesztők használhatnak olyan hitelesítési protokollt, amely lehetővé teszi, hogy egy biztonságos hibakereső újra megnyissa a hozzáférést anélkül, hogy a korlátozott hibakeresési munkamenetekben veszélyeztetné a megbízhatósági alappontot. Teljes regressziós hibakeresés esetén a kód- és adatbiztonság nem garantált.

A korszerű felhasználói felületek iránti igény kielégítése az okostermékek esetében

Bár a biztonság továbbra is elsődleges fontosságú, az okostermékek egyre kifinomultabb grafikus felhasználói felületektől (GUI) függenek. Az STM32H7R/S mikrovezérlők ezt a követelményt beépített grafikus gyorsítókkal elégítik ki. Ezek közé tartozik a Chrom-ART gyorsító az STM32H7R3/S3 mikrovezérlőkben és a NeoChrom grafikus feldolgozóegység (vagy grafikus processzor, GPU, graphics processing unit) az STM32H7R7/S7 mikrovezérlőkben. Míg a 2D Chrom-ART gyorsító és a 2,5D NeoChrom GPU több formátumot támogat rajzolási és animációgyorsítási műveletekkel, a NeoChrom GPU a felszín (textúra) leképezéshez szükséges műveleteket is támogatja (6. ábra).

6. ábra: Az STM32H7R3/S3 mikrovezérlőkben lévő Chrom-ART grafikus gyorsító és az STM32H7R7/S7 mikrovezérlőkben lévő NeoChrom grafikai processzor (GPU) biztosítja az okostermékek grafikus felületeinél szükséges grafikus teljesítményt és funkciókat (táblázat: STMicroelectronics.)

Az STMicroelectronics az STM32H7R3 mikrovezérlőhöz a NUCLEO-H7S3L8 STM32 Nucleo-144 fejlesztőkártyát, míg az STM32H7S7 mikrovezérlőhöz az STM32H7S78-DK ismerkedőkészletet kínálja.

A gyors prototípuskészítéshez tervezett Nucleo-144 kártya beépített ST-LINK hibakeresőt és programozóeszközt, valamint LED-eket, nyomógombokat és többféle csatlakozót tartalmaz. Az STM32H7S78-DK ismerkedőkészlet wifit, néhány LED-et és nyomógombot, egy beépített STLINK-V3EC hibakeresőt és programozóeszközt, valamint több csatlakozót tartalmaz, köztük két USB-C® és egy Ethernet RJ45 csatlakozót.

A szoftverfejlesztéshez az STMicroelectronics az STM32Cube mikrovezérlő termékcsomagját az STM32Cube ökorendszer részeként teszi elérhetővé. Az STM32Cube mikrovezérlő termékcsomag a hardverabsztrakciósréteg- (HAL-) modulok, a kártyatámogató csomagok (BSP, board support package) és az alacsony rétegbeli regiszterszintű alkalmazásprogramozási felületek (API, application programming interface) mellett köztes szoftvereket (middleware), csatlakoztathatósági csomagokat és mintakódokat is kínál. A grafikai fejlesztésekhez a vállalat az X-CUBE-TOUCHGFX grafikus keretrendszert kínálja, amely a következőket tartalmazza:

• TouchGFX Designer eszköz grafikus alkalmazások fejlesztéséhez és szimulációjához
• TouchGFX Engine hardveresen gyorsított grafikus könyvtár
• TouchGFX Generator, egy STM32CubeMX beépülő modul, amely lehetővé teszi a fejlesztők számára a TouchGFX Engine által a mögöttes hardver és operációs rendszer eléréséhez használt TouchGFX absztrakciós réteg beállítását és létrehozását

Hosszabb üzemidő biztosítása az akkumulátor számára

A minél kisebb fogyasztás és a minél hosszabb akkumulátor-üzemidő továbbra is kulcsfontosságú tervezési szempont számos felhasználási területen. Az STMicroelectronics STM32U0 sorozatú mikrovezérlőit úgy tervezték, hogy lehetővé tegyék a számos alapvető ipari, egészségügyi, okosmérési és fogyasztói felhasználási területen szükséges energiatakarékosságot és hosszabb akkumulátor-üzemidőt. A rendkívül kis fogyasztású, 56 MHz-es ARM Cortex-M0+ processzor köré épülő STM32U0 mikrovezérlő terméksorozatot három különböző termékcsalád alkotja, hogy a fejlesztők kiválaszthassák a terveikhez szükséges SRAM, flashmemória és perifériák optimális elegyét.

Az STM32U031 termékcsalád kínálja a legkisebb méretű összeállítást 12 kB SRAM-mal, akár 64 kB flashmemóriával, több időzítővel, analóg perifériákkal és különféle csatlakozási lehetőségekkel (7. ábra).

7. ábra: Az STM32U0 mikrovezérlő terméksorozat három termékcsaládja az STM32U031 mikrovezérlő termékcsalád által kínált funkciók egyre bővülő készletére épül (ábra: STMicroelectronics)

Az STM32U073 termékcsalád az STM32U031 termékcsalád funkcióit kibővítve beépített LCD-vezérlővel, további csatlakozási csatornákkal és analóg perifériákkal lett kiegészítve, miközben 40 kB SRAM-ot és akár 256 kB flashmemóriát kínál. Az STM32U083 termékcsalád ezekre a funkciókra építve egy AES (Advanced Encryption Standard) hardveres gyorsítóval egészül ki.

A nagy integráltsági fok mellett az STM32U0 sorozatú mikrovezérlőkre a rendkívül kis fogyasztás is jellemző. Futtatás üzemmódban mindössze 52 μA/MHz (mikroamper/megahertz) a fogyasztásuk, miközben a belső kis feszültségkülönbségű (LDO, low-dropout) feszültségszabályozóról működnek.

A fejlesztők többféle kis fogyasztású üzemmód, köztük három leállított üzemmód közül választhatnak, hogy az akkumulátorról működő készülékekben a minimálisra csökkentsék a fogyasztást. A legkisebb fogyasztású leállított üzemmódban például az STM32U031 mikrovezérlők csak 630 nA-t vesznek fel a valós idejű órát (RTC) működtetve, illetve 515 nA-t a nélkül. Ugyanebben a leállított üzemmódban az STM32U073 és STM32U083 mikrovezérlőknek csak 825 nA-ra van szükségük valós idejű órával, illetve 695 nA-ra a nélkül. Mindazonáltal az STM32U0 sorozat mindhárom, 24 MHz-es ébresztési órajelen futó termékcsaládja ebből a legkisebb fogyasztású üzemmódból flashmemóriát használva mindössze 12,0 µs, az SRAM-ot használva 7,67 µs alatt képes elérni a futtatás üzemmódot.

Rendkívül kis fogyasztásuk ellenére és a beépített alkalmazkodó valós idejű (ART, adaptive real-time) memóriagyorsítónak köszönhetően ezek a mikrovezérlők 56 MHz-es processzorfrekvencián a flashmemóriából történő futtatással a várakozásmentes futtatással egyenértékű teljesítményt érnek el.

A fejlesztés elősegítéséhez az STMicroelectronics az STM32U031 alapú NUCLEO-U031R8 fejlesztőkártyát, az STM32U083 alapú NUCLEO-U083RC fejlesztőkártyát és az M32U083 alapú STM32U083C-DK ST ismerkedőkészletet kínálja. Az STM32 termékcsalád más eszközeihez hasonlóan az STM32Cube mikrovezérlő termékcsomag a vállalat STM32Cube ökoszisztémájához hardverabsztrakciósréteg- (HAL-) modulokat, kártyatámogató csomagokat (BSP, board support package), alacsony rétegbeli alkalmazásprogramozási felületeket (API), köztes szoftvereket, csatlakoztathatósági csomagokat és mintakódokat kínál.

Nagy távolságú vezeték nélküli kapcsolat létrehozása

A gigahertz (GHz) alatti frekvenciájú, nagy távolságú vezeték nélküli összeköttetésre alkalmas, jó hatásfokú készülékek alapvető fontosságúak a dolgok internetére (IoT, Internet of Things) kapcsolódó, az okosvárosokban, a mezőgazdaságban, a távmérésben, a távérzékelésben és az ipari rendszerekben használt készülékekben. Számos ilyen készüléknek megbízható kommunikációt kell fenntartania a környezeti hatások, például a villamos hálózat vagy a gépek által okozott zavarások ellenére. Ez a zavartűrő csatlakozást kínáló LoRaWAN hálózatok (long-range wide-area network, nagy hatótávolságú, nagy kiterjedésű hálózat) használatát helyezi előtérbe.

Az STMicroelectronics STM32WL5MOCH6TR modulja olyan LoRaWAN-tanúsítással rendelkező megoldást kínál, amely Európában, Ázsiában és Amerikában is használható. Ez a több régióra kiterjedő működőképesség abban rejlik, hogy a rádiós modul támogatja a 868 MHz-es európai szabványokat és a nagyobb teljesítményt lehetővé tevő 915 MHz-es észak-amerikai szabványokat is. Az, hogy a modul többféle modulációs sémát támogat, valamint a modul 150 MHz és 960 MHz közötti lineáris frekvenciatartománya lehetővé teszi, hogy világszerte használni lehessen a különböző szabványos és egyedi feljesztésű kommunikációs protokollokkal, amilyen például a Sigfox, a W-MBUS és a mioty.

Az egy ARM Cortex-M0+ és egy ARM Cortex-M4 processzormagot kombináló kétmagos architektúrára épülő STM32WL5MOC modul tartalmaz egy rugalmas rádió adó-vevőt, akár 64 kB SRAM-ot és akár 256 kB flashmemóriát, valamint egy átfogó biztonsági alrendszert, időzítőket, analóg perifériákat, csatlakozási illesztőfelületeket, vezérlési funkciókat és a beágyazott kapcsolóüzemű tápegységhez (SMPS, switch mode power supply) szükséges passzív elemeket. Ezenkívül az STM32WL5MOCH6STR változat az STMicroelectronics STSAFE-A100 biztonsági elemét is tartalmazza (8. ábra).

8. ábra: Az STM32WL5MOC modul a kétmagos architektúráját rugalmas rádióval, biztonsági funkciókkal, több funkcionális blokkal és passzív alkatrészekkel kombinálva kínál beágyazható megoldást a GHz alatti frekvenciájú összeköttetésekhez (ábra: STMicroelectronics)

Az STM32WL5MOC modul számos beépített funkciója és LoRaWAN-tanúsítványa optimalizált beágyazott hardveres megoldást kínál a tervezőknek nagy hatótávolságú vezeték nélküli készülékek tervezéséhez. Az STMicroelectronics tovább gyorsítja a fejlesztést egy átfogó eszközkészlettel, beleértve a B-WL5M-SUBG1 bővítőkártyát, amely egy STM32WL5MOC modult, 4 MB flashmemóriát, 256 kB EEPROM-ot, STMicroelectronics mikro-elektromechanikus (MEMS) érzékelőket, többféle csatlakozót, LED-et és nyomógombokat tartalmaz. Ami a szoftverfejlesztést illeti, az STM32CubeWL mikrovezérlő termékcsomag az STM32Cube ökoszisztéma részeként támogatja az STM32WL sorozatú IC-ket is.

Összegzés

A fogyasztói, ipari, egészségügyi és egyéb felhasználási területeken használt okostermékek olyan szintű biztonságot, fogyasztást és csatlakoztathatóságot igényelnek és olyan összetett a tervezésük, hogy ezeket egyetlen mikrovezérlő képességei ritkán elégítik ki. Az STM32 mikrovezérlő terméksorozat a tervezők számára a feldolgozási lehetőségek széles választékát kínálja, hogy optimális megoldást nyújtson a különböző készülékek támasztotta követelmények kielégítésére. A processzorok támogatására fejlesztőkártyák és szoftverek állnak rendelkezésre, egyszerűsítve a fejlesztést.