התאם את דרישות היישום בצורה יעילה יותר עם יחידות Arm® Cortex® MCU משולבות במיוחד

מפתחים מתמודדים עם אתגרים רבים בעמידה במגוון מתרחב של דרישות עבור מוצרים חכמים ביישומים צרכניים, תעשייה, עיר חכמה ובריאות. כל יישום מביא את סט הדרישות הייחודיות שלו בנוגע לביצועים, אבטחה, צריכת הספק אולטרה-נמוכה, קישוריות אלחוטית לטווחים גדולים ועלות. לעתים קרובות מדי מפתחים נאלצים להתפשר ביחס לדרישות אלו בשל התאמה גרועה בין היישום לבין היכולות של פתרונות יחידת מיקרו-בקר (MCU) זמינה.

מאמר זה מציג‏ סט של פתרונות מעבד מבית STMicroelectronics היכול לספק צירופי ביצועים מתאימים, חיי סוללה, אבטחה וקישוריות אלחוטית, שהם קריטיים להצלחת תכנון לרוחב מגוון רחב של יישומים.

עמידה בדרישות אבטחה מחמירות

יחידות מיקרו-בקר (MCUs) ‏Bootflash‏ STM32H7/S‏ של STMicroelectronics מספקות את הביצועים-העיליים, הגרפיקה, האבטחה ומפרט החומרים (BOM) המופחת הדרושים במוצרים חכמים רבים עבור יישומים תעשייתיים, אלקטרוניקה לצרכנים, עיר חכמה ושירותי בריאות. מבוססות על מעבד ARM® Cortex®-M7‏ של 600 מגה-הרץ (MHz‏) עם יחידת נקודה-צפה‏ (FPU) דיוק-כפול, יחידות מיקרו-בקר אלו כוללות גרפיקה, תת-מערכות אבטחה וסט מקיף של אלמנטים היקפיים וממשקי חיבוריות משולבים.

איור 1‏: יחידות STM32H7R/S Bootflash MCU משלבות‏ Arm Cortex-M7 ביצועים-עיליים עם סט שלם‏ של אלמנטים היקפיים, בלוקים פונקציונליים ויכולות מיוחדות הנחוצות כדי לספק מוצרים חכמים מאובטחים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מעבר לזיכרון המטמון L1 של המעבד הכולל זיכרון מטמון פקודות של 32 קילו-בייט (Kbytes‏) וזיכרון מטמון נתונים של 32‏ קילו-בייט, יחידות מיקרו-בקר אלו באות עם 620 קילו-בייט של זיכרון גישה-אקראית סטטי (SRAM),‏ 64 קילו-בייט של זיכרון Flash‏, וממשקים מרובים עבור גישה במהירות גבוהה לזיכרונות חיצוניים. צירוף זה של‏ SRAM‏, ‏Flash משובץ וגישה לזיכרון חיצוני עם יכולת Execute-In-Place ‏(XIP)‏ מציע למתכננים דרגה גבוהה של גמישות כשמממשים ביצועים-עיליים ומערכות משובצות מאובטחות.

כדי להבטיח אבטחה ביישומים הרצים בזיכרון חיצוני, יחידות STM32H7S MCU משלבות שלושה מנועי צופן זיכרון (MCE) המבצעים הצפנה ופענוח תוך-כדי-עבודה על זיכרונות לא-נדיפים או נדיפים חיצוניים, עם בקרת גישה מתוכנתת לעד ארבעה אזורים שונים לכל MCE. בשילוב עם מאפייני אבטחה מבוססי-חומרה נוספים, כולל ניתוח אספקת-כוח דיפרנציאלית והגנה מפני התקפות ערוץ-צד, יחידות STM32H7S MCU מוסמכות ל-SESIP ו-PSA רמת אבטחה 3‏.

כדי להבטיח ביצועים אמינים‏ של משימות קריטיות-בזמן כגון רוטינות שירות פסק (Interrupt‏), חלק מה-SRAM ממופה לממשק הזיכרון המצומד היטב (TCM) של ה-MCU, ובכך מספק זיכרון מצב-המתנה-אפס עבור הוראות ונתונים קריטיים. כדי להבטיח את תקינות המערכת, המיקרו-בקר משלב מאפייני אבטחה מרובים עם ה-Flash המשובץ שלו כדי לאפשר אתחול (Boot‏) מאובטח ובדיקת תקינות יישום, מספק Root of Trust‏ (RoT) למערכת ולתוכנת היישום הרצה בזיכרון על-השבב או מחוץ-לשבב. כשמשולב עם מנגנוני הגנה מבוססי-חומרה מתאימים, שימוש זה של Flash משובץ עבור אחסון ה-Bootloader המהימן מספק יתרונות משמעותיים בגמישות בהשוואה לשימוש בזיכרון קריאה-בלבד (ROM) ביחידות MCU מסורתיות.

נתיבים מרובים לאתחול (Boot) מאובטח

כדי לספק את ה-RoT החיוני לאבטחת מערכת, אתחול (Boot‏) מאובטח מסתמך על קוד קבוע מהימן הרץ תמיד מייד לאחר איפוס מערכת. קוד זה מוודא שרק תוכנה מהימנה רצה בשלב שלאחרי רצף אתחול המערכת. עם יחידות TM32H7R/S MCU, למפתחים יש נתיבים מרובים לאתחול מאובטח בעת בניית מערכות מהימנות. הם יכולים להשתמש בקושחת RoT בנוייה-מראש או לשלוט על רצף האתחול בעצמם (איור 2‏).

איור 2‏: יחידות STM32H7R/S MCU‏ מציעות נתיבי אתחול מרובים המתוכננים לפשט פיתוח. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

בהמשך לאיפוס מערכת, כל יחידות ה-STM32H7R/S MCU מתחילות את רצף האתחול על ידי הרצת ה-Root Secure Services‏ (RSS) המהימן, שממוקם בזיכרון Flash מערכת מוגן. צעדים עוקבים ברצף האתחול (Boot) תלויים בסוג ה-MCU ובבחירת נתיב האתחול על ידי המפתח. עם כל נתיב אתחול, יחידות STM32H7R/S MCU‏ משתמשות במנגנון רמת הגנת הסתר (HDPL) שלהן כדי להבטיח בידוד זמני של כל רמת אתחול. כשרצף האתחול עובר מרמת אתחול אחת לאחרת, מונה ה-HDPL מתקדם ומשאבים המשויכים לרמת האתחול הקודמת מוסתרים מהרמה הנוכחית.

שמירה על RoT לאורך כל רצף האתחול

בנתיב האתחול עבור מערכות ייצור מבוססות STM32H7, ה-RSS רץ מייד עם איפוס המערכת. RSS מפעיל את קושחת ה-RoT הבלתי משתנה (iRoT) של יצרן הציוד המקורי (OEM) הממוקמת בזיכרון Flash משתמש. מכיוון שמונה ה-HDPL מתקדם ברמה הבאה הזו, RSS נותר נסתר מקושחת ה-OEMiRoT, המטפלת בצעד הבא ברצף האתחול. אם היישום מתוכנן לתמוך בקושחת RoT ניתנת לעדכון (uRoT), ה-OEMiRoT מריצה את קושחת ה-OEMuRoT מזיכרון חיצוני. בשלב האחרון של רצף האתחול, קושחת ה-OEMiRoT (או אופציונלית OEMuRoT) מריצה את קוד היישום. ה-HDPL מבטיח שה-RSS, ה-OEMiRoT וה-OEMuRoT האופציונלית הם כולם מוסתרים מהיישום.

מערכות ייצור מבוססות-STM32H7S ניתנות להגדרת-תצורה לעקוב אחר נתיב אתחול דומה לזה של מערכות STM32H7R, להשאיר שליטה מלאה על תהליך האתחול למפתח. עם יחידות STM32H7S MCU, מפתחים יכולים לבחור גם בנתיב‏ מאובטח ביותר שמפעיל את הקושחה הבנויה מראש STMicroelectronics iRoT‏ (STiRoT) הממוקמת בזיכרון Flash מוגן של המערכת ‏.

בנתיב האתחול המאופשר-STiRoT, רוטינה (iLoader) הממוקמת ב-Flash‏ משובץ מוגן, טוען קוד לתוך SRAM פנימי עבור רמת האתחול הבאה‏. אחר כך STiRoT בודקת את התקינות והאותנטיות של אותו קוד לפני שיאפשרו לו לבצע. עבור נתיבי אתחול חד-שלביים, iLoader טוען את קוד היישום לתוך SRAM. עבור נתיבי אתחול דו-שלביים, iLoader טוען OEMuRoT מ-Flash‏ חיצוני לתוך SRAM‏.

קוד היישום (או קושחת OEMuRoT), ברגע שנמצא ב-SRAM פנימי‏, נבדק מבחינת תקינות ואותנטיות ללא הסיכון של התקפה במהלך אימות הקוד השוכן בזיכרון חיצוני. לאחר אימות, ה-OEMuRoT מבצע את בדיקות התקינות והאותנטיות על קוד היישום לפני ביצוע היישום. מפתחים יכולים להרחיב בקלות נתיב אתחול דו-שלבי זה כדי לאמת עדכונים לקוד היישום או אפילו לקושחת ה-OEMuRoT (איור 3‏).

איור 3‏: יחידות STM32H7S MCU מאפשרות עדכון מאובטח ואתחול מאובטח באמצעות תהליך‏ רב-שלבי המתוכנן להבטיח את התקינות והאותנטיות של‏ קוד בכל צעד בתהליך. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

במהלך עבודה רגילה במערכות ייצור, ה-Flash המשובץ ביחידות STM32H7R/S MCU הוא במצב‏ סגור, כשקושחת RoT מוקצית וערך אתחול חוקי נאכף. יחידות MCU אלו מספקות בנוסף ארבעה מצבי מוצר (PRODUCT_STATEs) המתוכננים לתמוך בכל מחזור החיים של המוצר (איור 4‏).

איור 4: יחידות STM32H7R/S MCU עובדות באחד מארבעת מצבי המוצר (PRODUCT_STATEs) המתוכננים לתמוך בכל מחזור החיים של המוצר. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מפתחים יכולים לבקר את מצב המוצר (PRODUCT_STATE) בשלוש דרכים:

• מצב בלתי נדיף (NVSTATE), המגדיר את זיכרון ה-Flash‏ במצב פתוח או סגור
• מוגדר ל-OEM‏ (OEM_PROVD), שמגדיר את היציבות של אזור הגנת ההסתרה המאובטחת (HDP) המבטיחה שקוד שמבוצע באזור זה יישאר מוסתר לאחר האתחול
• שיטת אימות איתור באגים (DBG_AUTH), שמגדירה את השיטה בה משתמשים כדי לפתוח את מנפה הבאגים של ההתקן

עם ארבעת המצבים האלה, יחידות STM32H7R/S MCU‏ תומכות בדרישות הבטיחות של‏ כל שלב קריטי במחזור-החיים של המוצר: פיתוח מוצר, ייצור מוצר ופריסה בשטח (איור 5‏).

איור 5: כשמוצר עובר מפיתוח וייצור לשטח, יחידות STM32H7R/S MCU יכולות להגן על קוד ונתונים רגישים ב-Flash משובץ תוך מתן גישה מאומתת לניפוי באגים בעת הצורך. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

למעשה, אימות ניפוי באגים מציע תכונת אבטחה רבת-עוצמה המתוכננת לעמוד באתגרים המעשיים של תמיכה במחזור חיי המוצר. עבור מערכות ייצור העובדות במצב סגור, מפתחים יכולים להשתמש‏ בפרוטוקול אימות המאפשר‏ למנפה-באגים מאובטח לפתוח מחדש גישה מבלי לסכן את ה-RoT בהפעלת ניפוי באגים מוגבלת‏. בניפוי באגים ברגרסיה מלאה, אבטחת קוד ונתונים אינה מובטחת.

מענה לצורך בממשקי משתמש משופרים במוצרים חכמים

למרות שהאבטחה נותרה בעלת חשיבות עליונה, מוצרים חכמים תלויים בממשקי משתמש גרפי (GUIs) מתוחכמים יותר ויותר. יחידות STM32H7R/S MCU עונות על דרישה זו באמצעות מאיצי גרפיקה משולבים. אלה כוללים את מאיץ ה-Chrom-ART ביחידות STM32H7R3/S3 MCU‏ ויחידת עיבוד הגרפיקה (GPU)‏ NeoChrom ביחידות STM32H7R7/S7 MCU. בעוד מאיץ ה-2D Chrom-ART וה-‏2.5D NeoChrom GPU תומכים בפורמטים מרובים עם פעולות drawing ו-blitting, ה-NeoChrom GPU תומך בפעולות הדרושות במיפוי מרקם (texture mapping) (איור 6‏).

איור 6: מאיץ הגרפיקה Chrom-ART ביחידות STM32H7R3/S3 MCU‏ וה-‏NeoChrom GPU ביחידות STM32H7R7/S7 MCU מספקים את ביצועי הגרפיקה והפונקציונליות הדרושים בממשקי GUI עבור מוצרים חכמים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

עבור הערכה ופיתוח, STMicroelectronics מציעה את לוח ההערכה שלה NUCLEO-H7S3L8 STM32 Nucleo-144 עבור ה-STM32H7R3 וערכת ה-Discovery ‏STM32H7S78-DK עבור ה-STM32H7S7.

מיועד לפיתוח אב טיפוס מהיר, לוח ה-Nucleo-144 כולל‏ מנפה-באגים/מתכנת ST-LINK משולב ומציע נוריות LED, לחצנים ואפשרויות מרובות של מחברי לוח. ערכת ה-Discovery‏ STM32H7S78-DK מציעה Wi-Fi‏, מספר נוריות LED‏ ולחצנים, מנפה-באגים/מתכנת‏ משולב STLINK-V3EC ומחברי לוח מרובים, כולל שניים עבור ®USB Type-C‏ ומחבר אחד Ethernet RJ45.

עבור פיתוח תוכנה, STMicroelectronics מספקת את חבילת ה-STM32Cube MCU שלה כחלק מהמערכת האקולוגית שלה STM32Cube‏. ביחד עם מודולי Hardware Abstraction Layer ‏(HAL),‏ Board Support Packages‏ (BSP‏), וממשקי תכנות יישום (APIs) ברמת אוגר שכבה-נמוכה, חבילת ה-STM32Cube MCU‏ מציעה רכיבי חומרת ביניים (Middleware), מחסניות חיבוריות וקוד דוגמה. עבור פיתוח גרפיקה, החברה מציעה את המסגרת הגרפית X-CUBE-TOUCHGFX, שכוללת:

• את הכלי TouchGFX Designer עבור פיתוח וסימולציה של יישומים גרפיים
• את ספריית הגרפיקה המואצת-חומרה TouchGFX Engine
• את ה-TouchGFX Generator, שהיא תוספת תוכנה ל-STM32CubeMX‏ המאפשרת למפתחים להגדיר תצורה וליצור את שכבת האבסטרקציה TouchGFX בה משתמשת ה-TouchGFX Engine כדי לגשת לחומרה הבסיסית ולמערכת ההפעלה

הבטחת חיי סוללה ארוכים יותר

צריכת הספק מינימלית וחיי סוללה מקסימליים נשארים מניעי תכנון עיקריים בתחומי יישום רבים. יחידות מיקרו-בקר מסדרת STM32U0 של STMicroelectronics‏ מתוכננות לספק את החיסכון באנרגיה וחיי הסוללה הארוכים יותר הדרושים ביישומים בסיסיים תעשייתיים, רפואיים, מדידה חכמה וצרכניים רבים. בנויה סביב מעבד‏ בהספק אולטרה-נמוך Arm Cortex-M0+ 56 MHz, סדרת ה-STM32U0 MCU כוללת שלוש משפחות שונות כדי לאפשר למפתחים לבחור את התצורה האופטימלית של SRAM‏, Flash‏ ורכיבים היקפיים הדרושים עבור התכנים שלהם.

משפחת ה-STM32U031 מציעה את התצורה הקומפקטית ביותר עם 12‏ קילו-בייט‏ של SRAM‏, עד 6 קילו-בייט‏ של‏ זיכרון Flash‏, טיימרים מרובים, רכיבים היקפיים אנלוגיים ואפשרויות קישוריות (איור 7‏).

איור 7‏: שלוש המשפחות בסדרת ה-STM32U0 MCU‏ בונות על סט מאפיינים הולך וגדל על הנמצא במשפחת ה-‏STM32U031 MCU. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

תוך הרחבת המאפיינים הנמצאים במשפחת ה-STM32U031, משפחת ה-STM32U073 מוסיפה בקר LCD משולב, ערוצי חיבוריות נוספים ורכיבים היקפיים אנלוגיים, תוך היצע של 40 קילו-בייט SRAM ועד 256 קילו-בייט של זיכרון Flash. משפחת ה-STM32U083 בונה על מאפיינים אלה על ידי הוספת מאיץ חומרה Advanced Encryption Standard‏ (AES).

יחד עם אינטגרציה גבוהה, כל יחידות המיקרו-בקר מסדרת STM32U0‏ משיגות ביצועי הספק אולטרה-נמוך. במצב ריצה, הן צורכות 52 מיקרו-אמפר בלבד למגה-הרץ (μA/MHz‏) תוך כדי עבודה עם רגולטור ירידת-מתח-נמוכה (LDO) פנימית שלהן.

מפתחים יכולים לבחור מבין מצבי הספק-נמוך מרובים, כולל מצבי שלוש עצירות, כדי למזער צריכת הספק ביישומים מוזני סוללה. לדוגמה, במצב עצירה עם צריכת ההספק הנמוכה ביותר, יחידות STM32U031 MCU מושכות 630 ננו-אמפר (nA‏) ‏בלבד עם פעולת שעון זמן-אמת (RTC) או 515‎ nA‏ בלעדיה. באותו מצב עצירה, יחידות STM32U073 MCU ו-STM32U083‏ דורשות רק 825‎ nA‏ עם RTC או 695‎ nA‏ בלעדיו. למרות זאת, כל שלוש המשפחות בסדרת ה-STM32U0‏ בריצה עם שעון יקיצה של ‏‎24 MHz‏ יכולות להגיע למצב ריצה ממצב הפעלה זה של צריכת ההספק הנמוכה ביותר ב-12‏.0 מיקרו-שניות (µs‏) בלבד ב-Flash‏ ו-‎7.67 µs‏ ב-SRAM‏.

למרות העבודה שלהן בהספק אולטרה-נמוך והודות למאיץ הזיכרון המסתגל בזמן-אמת (ART‏) המשולב שלהן, יחידות MCU אלו משיגות ביצועים שווי ערך לביצועי מצב-אפס-המתנה מ-Flash‏‏ בתדר מעבד של‏ ‎56 MHz‏.

עבור תמיכת פיתוח, STMicroelectronics מציעה את לוח ההערכה שלה NUCLEO-U031R8 המבוסס על STM32U031, לוח הערכה NUCLEO-U083RC המבוסס על STM32U083 וערכת Discovery‏ STM32U083C-DK המבוססת על STM32U083. כמו עם התקנים אחרים במשפחת ה-STM32‏ , חבילת ה-STM32Cube MCU‏ עבור המערכת האקולוגית STM32Cube‏ של החברה מספקת מודולי HAL, חבילות BSP‏, ממשקי API שכבה-נמוכה‏, חומרת-ביניים (Middleware), מחסניות חיבוריות וקוד דוגמה.

אספקת קישוריות אלחוטית לטווחים גדולים

תכנים יעילים עם קישוריות אלחוטית תת-גיגה-הרץ (GHz) לטווחים גדולים הם חיוניים ביישומי אינטרנט-של-דברים (IoT)‏ עבור ערים חכמות, חקלאות, מדידה מרחוק, חישה מרחוק ומערכות תעשייתיות. רבים מיישומים אלה חייבים לשמור על תקשורת אמינה למרות הפרעות ממקורות סביבתיים כגון רשת החשמל או מכונות. זה מצביע על השימוש בקישוריות long-range wide-area network‏ (LoRaWAN) עמידה להפרעות.

מודול STM32WL5MOCH6TR של STMicroelectronics מציע פתרון מוסמך-LoRaWAN המסוגל לפעול‏ באירופה, אסיה ואמריקה הצפונית והדרומית. יכולת הפעלה רב-אזורית זו טמונה בתמיכה של מודול הרדיו בתקנים האירופיים של ‎868 MHz ובתקנים הצפון אמריקאיים של ‎915 MHz התומכים ביציאת הספק גבוה יותר. התמיכה של המודול בתוכניות אפנון מרובות ותחום התדרים הלינארי שלו מ-150 עד 960‎ MHz מאפשרים לו לתמוך בעבודה ברחבי העולם עם תקנים שונים ופרוטוקולי תקשורת קנייניים כגון Sigfox,‏ W-MBUS‏ ו-MIOTY‏.

מודול ה-STM32WL5MOC, שמבוסס על ארכיטקטורת שתי-ליבות המשלבת +Arm Cortex-M0 ו-Arm Cortex-M4, משלב את מקמ"ש הרדיו הגמיש שלו, עד 64 קילו-בייט SRAM, ועד 256 קילו-בייט של זיכרון Flash עם תת-מערכת אבטחה מקיפה, טיימרים, רכיבים היקפיים אנלוגיים, ממשקי התחברות, מאפייני בקרה ורכיבים פסיביים עבור ספק-הכוח הממותג המשובץ (SMPS) שלו. בנוסף, האלמנט המאובטח STSAFE-A100 של STMicroelectronics כלול בגרסת ה-STM32WL5MOCH6STR (איור 8‏).

איור 8‏: מודול ה-STM32WL5MOC מספק פתרון Drop-In‏ עבור חיבוריות תת-GHz, משלב את ארכיטקטורת שתי-הליבות שלו עם רדיו גמיש, מאפייני אבטחה, בלוקים פונקציונליים מרובים ורכיבים פסיביים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

הפונקציונליות המשולבת הנרחבת של מודול ה-STM32WL5MOC והסמכת LoRaWAN מספקות למתכננים פתרון‏ חומרה Drop-In‏ ממוטב עבור יישומי אלחוט לטווח-גדול. STMicroElectronics מאיצה עוד יותר את הפיתוח עם מערך מקיף של משאבים כולל לוח ההרחבה B-WL5M-SUBG1, שמשלב מודול‏ STM32WL5MOC, ‏4 מגה-ביט (Mbit) זיכרון Flash‏, ‏256 קילו-ביט EEPROM,‏ חיישני מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS‏) של STMicroelectronics, מחברי לוח מרובים, נוריות LED ולחצנים. עבור פיתוח תוכנה, חבילת ה-STM32CubeWL MCU תומכת בלוחות מסדרת STM32WL כחלק מהמערכת האקולוגית STM32Cube‏.

סיכום

למוצרים חכמים עבור צרכנים, תעשייה, שירותי בריאות ויישומים אחרים יש רמות אבטחה, צריכת הספק, קישוריות ומורכבות תכנון התואמות לעיתים רחוקות את היכולות של‏ מיקרו-בקר יחיד. סדרת ה-STM32‏ של‏ יחידות מיקרו-בקר (MCUs) מציעה למתכננים מבחר‏ רחב של אפשרויות עיבוד כדי לספק‏ התאמה אופטימלית על פני דרישות תכנון מגוונות. לוחות ותוכנות תומכים במעבדים ומפשטים את הפיתוח.