低功耗，大容量--NUCLEO-L496ZG开发板评测

netlhx · 发表于 2017-3-29 17:00:03

低功耗，大容量--NUCLEO-L496ZG开发板评测

微控制器（MCU)之间的竞争越来越激烈了。主要原因之一是生产MCU的门槛相对降低了，只需要向像ARM这样的厂商购买IP授权，然后将它整合到一个芯片上，就可以出售产品了。这样描述MCU的制造虽然有点过于简化了，但MCU生产厂商及MCU产品越来越多已是不争的事实。然而生产制造是一方面，销售产品就是另一个大问题了。所以各MCU厂商都会设计各种评估板，一方面可以帮助用户快速体验及评估产品性能，另一方面也是招揽潜在的研发人员及学生。

ST意法半导体无疑很聪明，ST推出的系列MCU不仅功能齐全，适用面极广，同时在评估板及软件生态方面也不遗余力，对研发人员及潜在的客户极力拉拢。

ST官方推出的Nucleo系列板已有20多款，涵盖了从Cortex-M0到Cortex-M7大部分的产品，也就是从低功耗到高性能的全系列产品。其中L4系列综合了低功耗与高性能的优势，算是一款折衷的方案。L4系列从最初的L476/L486，发展到今天的L496及L4A6，在系统主频方面没有做大的更改，主要在存储及外设方面做了更多的改进，使得产品适用面更广，用户选择面也更广泛。

本次评估的NUCLEO-L496ZG是NUCLEO144系列家族的新品，代表了L4系列最高的水准。

ST提供的评估板包装基本就是一样，塑料一体成型的包装盒，凸凹设计方式也可以有效保护开发板。

包装盒内一般衬有一张简单的用户快速入门指南，帮助用户快速上手，同时上面还列出了评估板的具体型号，简单明了。

NUCLEO系列评估板基本都采用公版PCB设计，这样的好处是只要用户使用过其中的一款开板，对后续同一款式的开发板元器件的布局就会比较了解了。如果你以前使用过NUCLEO144评估板的话，像上面一些主要元器件的功能及位置应该会比较熟悉。

NUCLEO-L496ZG评估板的主要特性包括

板载STM32L496ZG微控制器，LQFP144针封装
板载SMPS(只针对P结尾的开发板)，使用SMPS生成Vcore所需供电，可以极大的减少运行模式下的功耗
3个用户LED灯
两个按键，一个用户可编程按键及一个复位按键
板载LSE晶振
两种扩展接口，兼容Arduino UNO R3的ST Zio接口；引出全部可用GPIO的ST Morpho接口
USB OTG接口
板载ST-LINK/V2-1调试/下载器
4种供电方式，ST-LINK USB供电，Vin, E5V及+3.3V

开发板背面包含大量用户可调整的Solder Bridge，通过调整这些设置，可以调整开发板的一些硬件设置。

举例来说。NUCLEO系列很多都没有提供MCU的外部晶振，解决的办法主要有两个，一是使用MCU内部的HSI作为MCU的时钟源，另一种方法是使用ST-LINK上引出的MCO作为MCU的时钟源。另外对于L4系列来说，还有一个叫MSI的时钟，这是专门为低功耗设计的一种新型时钟源，可以动态调整时钟频率，从而得到更符合实际需要的时钟树设置。

参考官方给出的原理图，其中使用MCO时钟源的部分电路如下

看到ST-LINK引出的MCO要经过SB148，默认是开路，所以在该评估板上要使用MCO作为时钟源的话，就需要手动将SB148连接起来，准备一个0欧的电阻或者直接连接起来即可。不过一般在L4上都是使用MSI提供时钟源，这样可以更方便的实现低功耗特性。

评估板上集成ST-LINK/V2-1，使用的是STM32F103C8T6作为主控，用来调试代码并且支持mBed拖放式代码上传功能。ST-LINK/V2-1还可以用来给其它没有集成调试器的开发板作为独立的调试器，通过SWD接口引出的接口连到其它开发板的调试接口来进行调试。

STM32L496ZG是L4系列MCU中的高端产品，MCU集成1MB/320KB的FLASH/SRAM存储组合，LQFP144封装。该MCU的主要特性如下

ARM Cortex-M4内核，最高工作主频80MHz，具备FPU、ART加速技术，CoreMark测试得分为273.55(@80Mhz)
超低功耗，运行模式下功耗为37uA/MHz(SMPS模式下)，停机模式(Stop mode 2)下功耗约2.57uA，待机模式下最代功耗约108nA
丰富的外设支持，主要包括RTC、SPI、I2C、UART等常规外设的支持
8X40或4X44 LCD支持
USB OTG全速支持
LPTIMER及LPUART支持

STM32L496ZG内部功能框图如下

NUCLEO-L496ZG属于核心板系列，所以开发板上基本没有提供用户所需的外设，而是将这一选择留给了用户自己。为了方便用户连接外设，评估板引出了全部可用的GPIO接口，通过ST Zio及ST Morpho引出，另外开发板上引出了USB OTG接口。

这是ST Zio及ST Morpho的特写，ST Zio兼容Arduino UNO R3引脚，从上图可以看到Arduino接口对标注了各引脚名称；ST Morpho接口只预留了焊盘。

引出的USB OTG接口，方便连接USB存储设备。

软件方面，ST的HAL库已渐入佳境。STM32CUBEMX图形化的配置方式极大的减轻了程序员的负担，STM32CUBEMX可以直接导出支持主流IDE的工程也让用户省心不少。

让我们使用STM32CUBEMX来建立一个简单的工程，然后添加CoreMark测试代码到工程中，测试MCU的CoreMark的跑分结果。

启动STM32CUBEMX，建立一个新工程，如下图所示，选择MCU型号

选择好MCU的型号之后，启用2种类型的外设：GPIO及LPUART1。GPIO用来点灯，LPUART1用来输出CoreMark测试结果。具体配置时钟时要注意，由于SB148默认开路，所以不能使用ST-LINK的MCO作为时钟，建议选择MSI作为时钟源，这也是ST推荐的用法。

此处的PLL Source选择的是MSI，同时还可以指定MSI的频率，该选项在实现低功耗时特别有用。

最后生成指定的工程，这里选择生成IAR的工程，设置参数参考如下

特别注意此处堆栈的值设置，因为CoreMark代码默认情况将数据保存在栈中，所以此处的栈的值要设得大一点，否则容易导致Hard Fault的错误。

CoreMark的移植也比较简单，与移植相关的代码都放在core_protme.c/h文件中，修改几个简单的设置就可以了。笔者将移植好的代码放到了github上面，按照README.md文件的说明，可以很轻松的实现CoreMark的移植及测试。

最终的测试结果如下

与ST宣称的273.55分大约相差了10分的样子，这大概与笔者的优化水平有关，不过总的来说，测试结果还是令人满意的。

L4系列向来以低功耗著称，同时ST的开发板上一般都有一个IDD跳线设置，专门用来供用户测试系统运行电流，简单的测试可以使用万用表就可以实现。

除了可以使用万用表或专门的电流测试仪器来测试电流外，其实在STM32CUBEMX里也有一个专门的功耗估算工具，在STM32CUBEMX的Power Consumption Calculator选项卡里，用户可以添加不同的功耗估计方案，如下图是一种功耗估算方案的结果

这里估算是RUN模式下的功耗情况，点击上图中的绿色+按钮，可以添加多种不同类型的估算方案，对每种方案，用户可以指定不同的运行参数以得到一个大致的估算值，如下图是指定Run模式下的电流值估算

指定的值主要包括运行模式、VDD及主频等参数，我们看到在RUN模式下，电流消耗值约为9.44mA。窗口的右边是具体的外设启用情况，比如是否使用了UART、GPIO等，不同的外设配置，最终计算出来的电流值也会相应变化。

接下来使用HAL库中的Example_LL目录下提供的代码来实际测试低功耗的运行情况。LL是low layer的缩写，这是ST针对底层推出的一种新型支持库，相比HAL库来说，LL库更多的使用寄存器模式来配置及操作系统，非常接近硬件直接操作，所以应该能提供代码运行效率，减少代码尺寸，相应的降低了系统功耗。

测试用的工程名为PWR_OptimizedRunMode，该工程主要测试不同频率下的RUN模式的电流值，测试参数设置如下

[td]

频率	VCore(V)	IDD
80MHz	1.2	9.46mA
24MHz	1.0	2.51mA
100KHz	1.0	0.055mA

ST在L4系列中引入了MSI时钟，这是一种能提供多尺度时钟的新型机制。MSI时钟的全称是multi-speed internal (MSI) RC oscillator，它能提供 100 kHz,200 kHz, 400 kHz, 800 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz (default value), 8 MHz, 16 MHz,24 MHz, 32 MHz and 48 MHz等不同类型的输出值，供PLL选择。这里给出一段将时钟调整为100KHz的代码，供参考

void EnterRunMode_UpTo80MHz(void)
{
/* 1 - Set Voltage scaling to LL_PWR_REGU_VOLTAGE_SCALE1 before increase Clock Frequency */
LL_PWR_SetRegulVoltageScaling(LL_PWR_REGU_VOLTAGE_SCALE1);
/* 2 - Wait Voltage Scaling 1 before increase frequency */
while(LL_PWR_IsActiveFlag_VOSF() != 0)
{
};
/* 3 - Adjust Flash Wait state before increase Clock Frequency */
LL_FLASH_SetLatency(LL_FLASH_LATENCY_4);
/* 4 - Set Frequency to 80MHz (PLL) */
LL_RCC_MSI_SetRange(LL_RCC_MSIRANGE_6);
/* Enable PLL and wait for activation */
LL_RCC_PLL_Enable();
LL_RCC_PLL_EnableDomain_SYS();
while(LL_RCC_PLL_IsReady() != 1)
{
};
/* Switch on PLL. Previous configuration done by SystemClock_Config is used */
LL_RCC_SetSysClkSource(LL_RCC_SYS_CLKSOURCE_PLL);
while(LL_RCC_GetSysClkSource() != LL_RCC_SYS_CLKSOURCE_STATUS_PLL)
{
};
/* Set systick to 1ms in using frequency set to 80MHz */
LL_Init1msTick(80 * 1000000);
/* Update CMSIS variable */
LL_SetSystemCoreClock(80 * 1000000);
}