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MCU

微控制器单元（MCU）是所有嵌入式解决方案的核心所在，在成本和特性方面有许多不同的选择。

在选择图形用MCU时，应考虑支持的显示屏接口、MCU封装、尺寸和可获得的图形性能，最后一点取决于两个主要因素：

图像合成

  • MCU中集成的图形加速器的可用性。
  • 系统中缓存存储器的可用性。

存储器存取和带宽

  • 时钟频率和子系统总线频率。
  • 对内部Flash和RAM存储器的存取。

除了图形，还必须考虑应用运行的其他方面（电机控制和无线技术等）。 这些因素都可能影响MCU的选择。

本页将逐一介绍不同MCU选项，以及在决定应为GUI驱动的应用选择哪种STM32 MCU时应考虑的参数。

STM32 MCU

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  • 关于所有产品系列、外设和价格等信息的更完整概述，可通过ST MCU Finder获取。

    • 频率​

    内核频率会极大地影响图形应用在屏幕刷新以及屏幕和动画的流畅性方面的性能。

    它会影响可从内部或外部存储器传输到显示屏帧缓冲的大量数据，还可能影响计算和动画。

    频率越高，在给定时间范围内能够传输的数据就越多，就能实现更复杂的动画。

    STM32产品的内核频率最高为480MHz。

    Note
    频率越高，功耗越大。

    图形子系统频率​

    必须将内核CPU频率与图形子系统频率区别开来。 图形子系统频率包括内部总线频率和图形计数器频率，以及内部和外部存储器的存取速度。

    图形子系统频率还会极大地影响整体图形性能。

    示例​

    下面是从STM32H7上的内部RAM运行时，从理论上评估内核和子系统性能的示例：

    • CPU内核的运行频率为480MHz。
    • 64位AXI总线频率为240MHz。
    • LCD-TFT显示屏控制器（LTDC）使用64位AXI总线，在10个周期内执行8次传输。
    • 内部RAM不会导致明显延迟，即0等待状态。

    因此，LTDC外设访问时内部RAM的带宽为：

    • Bandwidth = 240 MHz x 8/10 x 8 bytes = 1,536Mbytes/s.

    有了这样的带宽，当分辨率为800x480且色深为32bpp时，内部RAM可确保1000帧/秒（fps）的刷新率。 通常会将对显示屏的传输限制在每秒60帧（通过调整像素时钟、边沿等），以免LTDC和内部RAM的带宽成为瓶颈。

    嵌入式硬件加速功能​

    不同的STM32 MCU具有不同的内置硬件加速功能，有助于获得高性能的图形应用。

    Chrom-ART​

    Chrom-ART是一种先进的DMA，可以为执行图形操作提供辅助。 它也被称为DMA2D。

    许多STM32平台中集成了Chrom-ART加速器，它能够控制和传输图像，而不会增加CPU负载。 它能够加快大多数图形操作的速度，如颜色填充、图像复制、混合和像素格式转换。

    Chrom-ART加速器能够在一项操作中执行两个图层的混合，将初始像素格式转换为需要的输出像素格式，并将结果传输到存储器目标位置。

    Chrom-ART加速器还支持有颜色查找表（CLUT）的颜色模式。 这有助于节省存储空间。

    以在STM32F496-EVAL板上运行的应用为例，当启用Chrom-ART时，CPU负载从82%降至4%：

    Bird-Eat-Coin Chrom-ART示例

    此外，STM32H7产品为Chrom-ART外设增加了从YCbCr模式转换至RGB模式的能力。 此特性结合JPEG硬件编解码器，可减轻JPEG图像编码和解码时的CPU负载。

    YCbCr转RGB硬件性能

    具有上述特性的Chrom-ART加速器为图形应用提供了巨大优势。 TouchGFX（若选择的MCU中有提供）处理所有Chrom-ART特性，并将所有可能的绘图操作重定向至Chrom-ART外设而非CPU。

    为高性能STM32系列提供了Chrom-ART外设。

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  • 请参考AN4943应用笔记获取更多信息：Chrom-ART硬件加速。

    • JPEG硬件编解码器​

    STM32H7和STM32F7系列提供硬件JPEG编解码器，用于图像和视频的编码和解码。

    如果UI应用需要播放视频文件或显示JPEG图像，则此特性十分重要。

    JPEG图像占用的存储空间通常较小。 JPEG硬件编解码器确保在运行时间解码图像，而不会发生CPU超负载。

    一些TouchGFX演示利用JPEG硬件编解码器，减轻播放MJPEG视频时的CPU负载。

    硬件JPEG编解码器性能

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  • 请参考AN4996应用笔记获取更多信息：硬件JPEG编解码器。

    • Chrom-GRC​

    在一些STM32微控制器中，外设STM32 Chrom-GRC™（GFXMMU）旨在为向非矩形显示屏发展的新趋势提供高效支持。

    在寻址非矩形显示屏时，Chrom-GRC™外设可帮助应用减少存储帧缓冲所需的RAM空间。

    对于圆形显示屏，外设可将存储空间要求降低20%。

    在控制非方形屏幕时，建议但不强制使用Chrom-GRC™外设。

    通过Chrom-GRC外设优化存储器

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  • 请参考AN5051应用笔记获取更多信息： 图形存储器优化

    • 内部Flash​

    使用位图资源的图形用户界面应用需要使用非易失性存储器来存储数据。 在某些情况下，从内部闪存执行和访问内部Flash会比外部Flash快最多两倍。

    由于内部Flash的大小有限，很多时候会用内部Flash来存储TouchGFX框架、屏幕定义和UI逻辑，而位图数据则存储在外部Flash中。

    对图形应用使用的STM32产品组合的内部Flash大小介于几KB和几MB之间。

    当位图数据量与内部Flash不匹配时，可能需要用到外部存储器。

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    请参考外部存储器了解更多信息。

    TouchGFX闪存要求：

    • 框架：60 KB至100 KB。
    • 屏幕定义和GUI逻辑：1至100 KB。

    这些数字取决于使用的框架特性，以及应用的大小和复杂度。

    内部RAM​

    内部RAM可用于存储帧缓冲的前提是帧缓冲的大小使之能够放入可用存储器。 或者，也可以为设置增加外部存储器。

    根据宽度、高度和色深计算帧缓冲的大小。 例如，对于具有HVGA分辨率（480x320）和16位色的显示屏，一个帧缓冲所需的存储空间为：

    Size of 1 framebuffer = 480 x 320 x 2 = 307,200 bytes

    对图形应用使用的STM32产品的内部RAM大小介于几KB和几MB之间。

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    请参考外部存储器一节，了解关于外部存储器中帧缓冲的更多信息。

    TouchGFX RAM要求：

    • 框架：10 KB至30 KB
    • 控件：1 KB至15 KB

    不同应用的存储空间要求可能不同。

    LCD控制器​

    MCU的选择还取决于要使用的显示屏接口和分辨率。 以800x480的分辨率为例，只能通过数据传输足够高效的接口来实现。 RGB-TFT和MPI-DSI接口通常用于更高分辨率，原因是在许多情况下，带宽高于SPI或并行8080/6800。 低分辨率显示屏通常内置控制器和GRAM，可通过简单的SPI或8080/6800接口进行连接。

    高分辨率显示屏（WQVGA及以上）通常没有内置控制器和GRAM，因此控制器需位于微控制器侧。 STM32 MCU内置了RGB-TFT和MIPI DSI接口的控制器。

    图中显示了有/没有GRAM和显示屏控制器的不同显示屏接口的4个示例。

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    请参考显示屏一节了解更多信息。

    封装& I/O​

    需要的I/O数量取决于选择的显示屏和外部存储器。 运行具有并行RAM/Flash的并行显示屏可能需要大量I/O，导致封装尺寸变大。

    存储器接口​

    当微控制器中的内部闪存和RAM不够用时，选择具有最合适外部存储器接口的合适MCU就变得十分重要。 STM32产品提供了不同的存储器控制器外设，用于连接NOR、NAND、SRAM、SDRAM、LPSDR SDRAM和PSRAM存储器。

    可变存储控制器& 可变静态存储控制器（FMC/FSMC）​

    除了支持静态RAM，FMC还为FSMC增加了动态RAM支持（SDRAM）。 可变存储控制器（FMC）具有很高的外部存取速率和8、16特别是32位数据总线，可实现与外部RAM之间的更高吞吐率，从而更好地支持更高分辨率。 FMC的每个存储区有独立的芯片选择。 FMC可以控制用于数据的外部Flash、用于帧缓冲的外部RAM存储器和用于图形栈的堆扩展。

    串行存储器接口​

    根据选择的STM32产品，可能有内置串行存储器接口，除了QSPI、PSRAM、OPI PSRAM和Hyper RAM存储器，还可以连接单线、双线、四线、八线和hyperBus闪存。 当处于存储器映射模式时，串行高速存储器接口可控制最大256 MB的存储器；当处于间接模式时，为4 GB。

    相比于并行接口，串行存储器接口可将成本较低的外部闪存连接到小型封装，同时减少使用的引脚数。

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    请参考AN4760应用笔记获取更多信息：STM32微控制器上的四线SPI接口。

    STM32超值系列产品​

    为了优化价格，STM32H7和STM32F7平台提供了具有有限内部Flash的超值系列产品。 使用这些产品时，图形资源将保存在外部Flash中。

    Cortex®-M Core​

    STM32 MCU采用不同的ARC Cortex®-M架构。 下面是STM32上运行图形时最常用的内核。

    Cortex®-M0+​

    Cortex®-M0+的特点在于它架构简单且价格低廉。 建议将其应用于以较低分辨率运行的较小的静态图形应用。

    Cortex®-M4​

    与M0+相比，Cortex®-M4包含更多功能，并加快了计算速度。 它包含DSP指令集和单精度FPU单元。 这些指令可减轻CPU负载并提高计算速度。

    Cortex®-M7​

    Cortex®-M7包含更复杂的架构，也包含DSP指令集，并具有更高效的双精度FPU单元，以及可容纳最多16KB的数据和指令的一级缓冲存储器。 缓冲存储器提供了使数据和指令紧邻计算单元以便优化提取时间的可能性。

    特性概述​

    特性Cortex-M0+Cortex-M4Cortex-M7
    DMIPS/MHz范围0.95-1.361.25-1.952.14-3.23
    Core Mark®/MHz2.463.425.01
    数字信号处理（DSP）扩展无有有
    浮点硬件无有（SP）有（SP + DP）
    内置缓存无无有（可选4-64KB），I-Cachen D-Cache
    总线协议AHB Lite，Fast I/OAHB Lite，APBAXI4，AHB Lite，APB，TCM
    双核锁步支持无无有

    一级缓存：​

    STM32H7和STM32F7系列包含最大16 KB的一级缓存，用于指令和数据缓存。 一级缓存在CPU附近保存了数据或指令集，因此CPU无需不断地提取重复使用的同一数据。

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    请参考AN4839应用笔记获取更多信息：一级缓存。

    双核​

    STM32H7系列包含双核系列：

    Arm® Cortex®-M7和Cortex®-M4内核的运行频率分别可达到480 MHz和240 MHz，可以支持更多的处理和应用程序分区。 双核STM32H7产品系列可与嵌入式SMPS一起使用，以提高动态电源效率。

    第二个Cortex®-M4可以减轻计算量，以便开放M7内核用于绘图/图形操作。

    Note
    对于双核MCU，必须针对特定上下文启用TouchGFX Generator。 只支持一个并发上下文。 请参考TouchGFX Generator用户指南获取更多信息。

    总线架构​

    大多数STM32微控制器提供32位多AHB总线矩阵，用于互连所有主设备（CPU、DMA等）和从设备（Flash、RAM、FSMC、AHB和APB外设）。 这样一来，即使多个高速外设同时工作，也能确保无缝、高效的操作。

    除了多AHB互连，一些STM32（Cortex®-M7）产品还内置64位AXI，用于扩展带宽。 因此，在性能和功耗之间实现了最佳平衡。

    价格​

    内部Flash和内部RAM的大小以及封装中的可用引脚数都会影响MCU的价格。 用户可以根据接口、分辨率和性能等方面的要求，最终找到合适的MCU和估价。

    Further reading
  • 请参考STM32 32位Arm Cortex MCU了解可用的STM32微控制器。