Mit NeoChrom-Grafikbeschleuniger STM32U5: Allzweckcontroller mit NIST-zertifizierter Zufallszahlenquelle

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Reiner Zufall: Die MCUs der STM32U5-Serie sind die ersten Allzweck-MCUs, deren eingebettete Zufallszahlen-Entropiequelle eine NIST-Zertifizierung erhalten haben. Trotz Low-Power-Architektur sollen sie zudem in der Lage sein, auch aufwendige grafische Bedienoberflächen ohne externe Unterstützung zu berechnen.

STMicroelectronics (ST) hat seine Mikrocontrollerfamilie STM32 um die U5-Serie erweitert. STM32U5 ist laut Hersteller die branchenweit erste MCU, die eine NIST-Zertifizierung für die integrierte Zufallszahlen-Entropiequelle erhalten hat. Darüber hinaus sind die Bausteine auf Energieeffizienz bei gleichzeitig ausreichend Rechenleistung für ein breites Aufgabenspektrum im IoT- und Embedded-Sektor getrimmt. Die neuen MCUs erweitern den Code- und Datenspeicher auf 128 KByte Flash für kostensensitive Anwendungen und fügen auch High-Density-Versionen für komplexe Anwendungen und anspruchsvolle Smartphone-ähnliche Benutzeroberflächen hinzu. Der STM32U59x/5Ax mit 4 MByte Flash und 2,5 MByte SRAM verfügt über den größten On-Chip-Speicher aller bisherigen STM32-MCUs.

Alle STM32-MCUs basieren auf dem Industriestandard Arm Cortex-M Embedded-CPU-Cores und sind in das STM32Cube- und STM32Cube.AI-Entwicklungs-Ökosystem eingebettet. Dieses besteht aus Tools und Software, die Projekte laut ST von Anfang bis Ende unterstützen – einschließlich der Erstellung von innovativen KI/ML-Lösungen durch die Umwandlung von vortrainierten neuronalen Netzen in optimierten Code. Laut ST eignen sich die neuen Controller besonders für Embedded-Anwendungen wie Umweltsensoren, industrielle Aktoren, Gebäudeautomatisierung, smarte und tragbare Geräte (Wearables), E-Mobility-Steuerungen, die auch an abgelegenen, schwer zugänglichen Orten zuverlässig funktionieren müssen.

Bewährte Arm-Basis, ergänzt um ST-Knowhow und 2,5D-Grafikbeschleuniger

Die STM32U5-Serie nutzt die neueste Generation des Cortex-M33. Arm hat diesen Kern in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz und Widerstandsfähigkeit gegen Online- und Hardware-Angriffe optimiert. Um diesen Kern herum hat ST sein Know-how im Bereich der stromsparenden MCUs eingebracht und eine Architektur implementiert, die die bewährten Arm-Prinzipien für hohe Cybersicherheit nutzt. Einige Modelle der Serie bieten einen 2,5D-Grafikbeschleuniger. Die Modelle der STM32U5-MCU-Serie sind untereinander Pin-to-Pin- und Software-kompatible.

„Da viele Anwendungen zusätzliche Funktionen, reichhaltigere Grafiken und eine schnellere Leistung erfordern, während sie gleichzeitig länger laufen sowie mit einer kleineren Batterie oder Energy Harvesting auskommen sollen, haben wir den STM32U5 entwickelt“, sagte Ricardo De Sa Earp, Executive Vice President General-Purpose Microcontroller Sub-Group, STMicroelectronics. Die neue MCU vereine den neuesten Arm-Kern, Ultra-Low-Power-Technologien, großzügigen On-Chip-Speicher und optional die NeoChrom-Grafik-Engine, die das visuelle Anwendungserlebnis verbessere.

Code-Re-use und viel SRAM-Speicher

Die STM32U5-Serie ist nach Angaben von ST bereits im Einsatz: So entwickele Ajax Systems zukünftige Generationen seiner drahtlosen Sicherheits- und Smart-Home-Lösungen mit den neuen MCUs. Max Melnyk, Device Department R&D Director bei Ajax, ist beeindruckt: „Die STM32U5-Serie senkt den Stromverbrauch beträchtlich, während die gleiche Leistung erhalten bleibt, die wir mit anderen MCUs mit DSP- und Fließkomma-Coprozessoren erreicht haben.“ Rund 90 Prozent des vorhandenen Codes könnte sein Team wiederverwenden. Ein weiterer großer Vorteil sei der große integrierte SRAM-Speicher: „Der reicht aus, um einen doppelten Framebuffer für eine schnelle und flüssige Grafikleistung zu verarbeiten.“ Außerdem gebe es einen großzügigen Flash-Speicher für das Laden von Ressourcen.

Zu den proprietären Energiesparfunktionen der STM32U5-Serie gehören neben autonomen Peripheriegeräten auch der Low-Power Background Autonomous Mode (LPBAM) von ST. Dieser ermöglicht es der Anwendung, kritische Funktionen aufrechtzuerhalten, während der Kern und andere nicht verwendete Blöcke in einen der flexiblen Energiesparmodi der MCU heruntergefahren werden. Aus diesem Zustand heraus kann die MCU den Kern schnell aufwecken, um einen Datenstapel effizient zu verarbeiten, und dann wieder in den Energiesparmodus übergehen.

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Die STM32U5-MCUs sind mit bis zu 4 MByte Flash-Speicher für Code und Daten sowie bis zu 2,5 MByte SRAM ausgestattet – genug, um anspruchsvolle Anwendungen zu verarbeiten. Der große On-Chip-Speicher spart laut ST zusätzliche diskrete Speicherchips ein, die ansonsten den Stromverbrauch, die Stücklistenkosten und die Leiterplattengröße erhöhen würden.

Hohe Grafikleistung für aufwendige grafische Bedienoberflächen

ST ist überzeugt, dass seine neuen Controller auch die Beschränkungen der Grafikleistung durchbrechen, die normalerweise für MCUs mit sehr niedrigem Stromverbrauch gelten. Die Modelle mit der fortschrittlichen NeoChrom-Grafikverarbeitungseinheit (GPU) von ST auf dem Chip sollen eine anspruchsvolle grafische Benutzeroberfläche (GUI) ausführen können, die bisher nur mit einem teuren mikroprozessorbasierten System möglich war. Ein winziger, eingebetteter Prozessor kann jetzt Smartphone-ähnliche Benutzererfahrungen hosten, und die GUI-Entwicklung kann das TouchGFX-Framework von ST nutzen, das jetzt SVG-Unterstützung und umfangreiche grafische Assets bietet.

Im Gegensatz zu den Prozessoren, die normalerweise zur Unterstützung solch anspruchsvoller Funktionen erforderlich sind, liefert ST seine STM32U5 MCUs in einem günstigen LQFP100-Gehäuse, das eine vereinfachte Leiterplattenkonstruktion mit minimaler Lagenzahl ermöglichen soll. Entwickler können ihre Projekte mit Hilfe von Ressourcen wie dem Softwarepaket STM32CubeU5, den neuen Entwicklungsboards NUCLEO-U545RE und NUCLEO-U5A5ZJ sowie dem STM32U5A9J-DK Discovery Kit für Grafiken beschleunigen.

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In der STM32U5-Serie nutzt ST die TrustZone-Architektur von Arm mit Hardware-Isolierung sowie die Speicherschutzeinheit der Cortex-M33-Kerne. Die MCUs enthalten außerdem kryptografische Beschleuniger für fortschrittliche AES-Algorithmen, Unterstützung für die Public-Key-Architektur (PKA) und Widerstand gegen physische Angriffe. Darüber hinaus wird durch die Unterstützung von Fehlerkorrekturcodes (ECC) in Flash und SRAM eine Beschädigung verhindert, wodurch sowohl der Cyber-Schutz als auch die Sicherheit verbessert werden.

Nach Angaben von ST ist STM32U5 die erste Allzweck-MCU-Gruppe, die die NIST-Zertifizierung (US National Institute of Standards and Technology) für die eingebettete Zufallszahlen-Entropiequelle erhalten hat. Da die Zertifizierung von den Kunden wiederverwendet werden kann, vereinfacht und beschleunigt sie die Zertifizierung für Anwendungen, die eine endgültige SP800-90B-Zertifizierung benötigen.

Die Serienproduktion der neuen STM32U5-Bausteine soll im zweiten Quartal 2023 beginnen. Die MCUs werden im eStore von ST und bei Distributoren zu Preisen ab 2,15 US-Dollar bei einer Bestellmenge von 10.000 Stück erhältlich sein. (me)

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