STM32U5

✦ Ajax Systems已使用 新STM32U5 MCU开发下一代无线安保和智能家居解决方案

✦ 新STM32U5系列MCU是首款获得NIST嵌入式随机数熵源认证的通用MCU

意法半导体市场前沿的STM32 微控制器(MCU)产品家族再扩阵容,推出新款STM32U5芯片,在降低功耗的同时提高了性能,并延长了续航时间,提升了能效。STM32U5产品已获得NIST嵌入式随机数熵源认证,是业界首款获此认证的通用MCU。

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这款STM32U5 MCU将代码和数据存储容量扩展到128Kbyte闪存,适合成本敏感型应用,同时还针对复杂应用和类似智能手机的复杂用户界面增加了高容量版。集成4Mbyte闪存和2.5Mbyte SRAM的 STM32U59x/5Ax是迄今为止STM32 MCU全系产品中片上存储器容量最大的产品。

凭借增强的功能,新STM32U5 MCU能够有效为深度嵌入式应用赋能,如环境传感器、工业执行器、楼宇自动化、智能家电、可穿戴设备、电动汽车控制等,尤其是安装在远端、难于检修位置的设备。随着智能工作和智能生活方式在全世界的不断发展,深度嵌入式设备在这些领域的部署量已达数十亿。新STM32U5 MCU通过提升这些应用的性能、能效和网络安全性,加快推进深度嵌入式设备的部署。

全系STM32 MCU都基于行业标准的Arm® Cortex®-M 嵌入式处理器内核,并配备功能强大易用的STM32CubeSTM32Cube.AI开发生态系统。该生态系统整合软硬件开发工具,从项目开始到结束全程支持客户开发工作,包括将提前训练好的神经网络转换为优化的代码,以创建前沿的 AI/ML 解决方案。

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STM32U5系列采用Arm最新一代嵌入式处理器内核Cortex-M33,该内核采用了可提升性能、能效、网络和硬件攻击防御能力的先进技术。意法半导体围绕这个处理器核将ST的超低功耗 MCU 专业技术整合进来,并利用Arm现有方法实现了一个网络安全性极高的架构。该系列中的部分产品还提供 2.5D 图形加速器。因此,这一新系列产品极具开创性,全系产品都引脚对引脚兼容,软件兼容,可以直接用于设计下一代应用。

意法半导体通用微控制器子产品部执行副总裁 Ricardo De Sa Earp表示:“许多应用都需要更多的功能、更丰富的图显和更快的性能,同时要求续航时间更长、电池更小,有能量收集功能,这就是我们今天扩展STM32U5系列的原因。这款 MCU将Arm最新的处理器内核与我们独有的超低功耗技术、大容量的片上存储器,以及NeoChrom 图形引擎(选配)整合在一起,以提升用户的视觉体验。”

在意法半导体STM32U5 系列的众多客户中,Ajax Systems已经在使用这款新的MCU 设计下一代高级无线安全和智能家居解决方案。Ajax设备部门研发总监 Max Melnyk表示:“与全球半导体市场巨头ST合作可以帮助Ajax的产品升级迭代。STM32U5 系列显著降低了功耗,同时保持了原有的处理性能,可媲美其他内置DSP和浮点协处理器MCU。我们现有代码的90%都可以二次使用。片上集成大容量SRAM对于我们是第二大优势,足以处理双帧缓冲需求,实现快速流畅的图显性能。新系列产品还有一个大容量闪存,可以用于保存资源。我相信新系列产品将加速推进下一代 Ajax 产品的开发。”

详细技术信息

STM32U5系列的专有节能特性包括自主外设和意法半导体的低功耗后台自主模式(LPBAM)。LPBAM模式可以让应用程序的关键功能保持正常运行的同时,关闭处理器内核和其他未用模块,进入 MCU中的任何一个灵活省电的低功耗模式。MCU可以把内核从低功耗状态快速唤醒,高效处理批量数据,然后再切回到低功耗模式。

另一方面,STM32U5 MCU 提供高达 4MB 的代码闪存和数据闪存,以及高达 2.5MB 的 SRAM,用于处理复杂的应用需求。大容量片上存储器可以在应用设计中省去额外的外部存储器,降低功耗、物料成本 (BOM) 成本和 PCB 尺寸。

STM32U5系列还打破了超低功耗 MCU图形处理性能的常规限制。意法半导体的先进微控制器集成NeoChrom图形处理单元(GPU),可以运行以前只有昂贵的基于微处理器的系统才能实现的复杂的图形用户界面(GUI)。现在,即使微型嵌入式处理器也能实现媲美智能手机的图显体验,开发者可以利用ST的TouchGFX框架开发GUI,该框架现在支持 SVG并具有丰富的图形资产。

此外,STM32U5 MCU采用经济的LQFP100封装,可以安装在层数不多的结构简单的PCB上,而支持这些复杂功能的处理器通常都需要更昂贵的封装。STM32丰富的资源可以帮助开发人员加快项目开发,包括STM32CubeU5软件包、新的开发板 NUCLEO-U545RE和 NUCLEO-U5A5ZJ,以及于图形界面的STM32U5A9J-DK 探索套件。

STM32U5 系列还增强了网络安全性,采用带有内存保护单元的 Cortex-M33 和具有硬件隔离功能的 Arm TrustZone® 架构。该系列微控制器还集成了运行高级 AES 算法的加密加速器、公钥架构 (PKA) 支持,以及物理攻击防御功能。此外,闪存和 SRAM 支持纠错码 (ECC),可防止数据损坏,增强网络保护和数据安全性。

除此之外,STM32U5还是第一批获得NIST(美国国家标准与技术研究院)嵌入式随机数熵源认证的通用MCU。客户可以重复使用该证书,因此可简化并加速终端应用的SP800-90B认证过程。新STM32U5系列计划于 2023 年第二季度开始量产,客户可从意法半导体的eStore和代理商处购买。询价请联系当地ST销售办事处。

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来源:意法半导体中国

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工业控制、健身装备、计量仪表、便携医疗、移动支付……随着5G、物联网、AI的全面落地,新的应用不断破圈,对MCU产品的要求也越来越高:更高性能、更高集成度,更高安全性,以及更低功耗。

在工业控制应用中,一个控制器所支持的功能正在逐渐增强,处理器的性能需求在同比提升的同时,也要求处理器具有更高的集成度,而随着联网需求的增多,对安全性能的要求也在进一步增加。STM32U5系列在满足这些需求的同时,也给了工程师实现更多创新的空间。

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STM32U5的高性能不但体现在高主频、新内核,还体现在cache的增强和硬件数学运算加速器等的集成。这样的性能能够很好支持控制算法的实施,还能满足一些AI算法的本地实施,例如电机震动故障监测、物品形状颜色识别等。

STM32U5具有很好的外设集成度。14位、12位的ADC配置,DAC,运放,比较器等丰富的模拟外设,配合2个高级电机控制定时器和多个通用定时器很好的满足工业控制中对电机控制部分的需求。在工业总线接口方面,内置了FD-CAN外设,也可以很方便进行外扩,例如通过FSMC外扩FPGA而实现更复杂的总线等。丰富的串行通信外设接口也方便进行传感器采集、工业组态显示屏等的扩展。内置2MB 双Bank Flash,768KB RAM这样丰富的资源,对应用开发非常友善,也方便了升级功能的考量。100K次可擦写的512KB Data Flash及方便外扩存储的O-SPI接口等也为现场数据的实时存储记录提供了实现方案。

STM32U5的强安全性基因则为工业控制产品联网提供了更好的保障。Cortex-M33内核的TrustZone机制及丰富的AES、PKA、OTFDEC等加密算法硬件加速器为工业控制器产品固件烧录、安全升级、联网通信等提供全方位安全方案支持。

STM32丰富的生态系统也为工业应用提供更便利的支持,例如STM32 MC SDKSTM32 Cube.AI等。针对工业应用,STM32U5生态也提供了针对IEC60730的ClassB及IE61508的SIL认证功能安全设计包。

在医疗健康应用中,对MCU的要求与工业控制系统也有相似之处,同样需求MCU高性能,高集成度,具有更好的安全性,而对MCU的低功耗特性也提出了更高的要求。

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得益于STM32U5对模拟外设的高度集成,医疗健康设备设计中能方便的采集各类传感器数据,本地存储或联网上传这些数据。低功耗后台自主模式LPBAM更是能在不唤醒MCU内核的情况下对传感器数据进行采集和搬运,与传统模式相比能使MCU内核的唤醒次数减少数倍,而很大程度节省功耗。

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得益于STM32U5的高性能,医疗健康设备设计中可以处理大量的传感器数据而将病理诊断算法本地化实现,也可融入AI的一些算法处理。STM32U5也内置有图像显示硬件加速器,结合图形化生态TouchGFX则可以得到流畅绚丽的显示效果。

工业计量仪表应用中对MCU的需求与健康医疗设备类似,STM32U5也极为合适。

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STM32U5 让工业应用破圈

STM32U5是STM32高性能低功耗系列的旗舰产品,它可以延续STM32F2/F4/F7的应用范围,同时又有更低的能耗,而且具有更高的性价比。在工业控制系统中,U5可以承担主控器、系统监控以及图形显示等核心职能。

STM32U5是基于40nm低功耗工艺的STM32产品系列,采用高效的Arm Cortex-M33内核和配套更先进的数字外设以及丰富的模拟外设,同时在提升性能时保持低功耗。STM32U5还增加了适合新应用的前沿技术,例如基于硬件防护的高级安全特性,能满足PSA和SESIP(物联网平台安全评估标准)3级等级要求,助力进一步提升设备安全性;同时还搭载了硬件图形加速器,可以实现丰富美观流畅的图形界面,更好的提升用户体验。

高性能,低功耗,丰富的数字外设和更高性能模拟接口,强大的安全特性,以及支持GUI 加速,让STM32U5在工业控制、工业表计和医疗健康,个人穿戴设备等应用领域取得良好的表现,为泛工业系统创新赋能。

  • 更高的能效比

高性能是U5的第一个关键词。STM32U5内搭Cortex-M33 内核,相对Cortex-M4性能提高20%以上;主频160MHz,使STM32U5系列能达到240DMIPS和651Coremark的性能评分,而同样采用Cortex-M33内核的上一代产品STM32L5主频为110MHz。

为了进一步增强性能,STM32U5还集成了数学运算加速器(三角函数以及数字滤波加速器CORDIC和FMAC),实现数字信号处理功能加速同时减轻CPU负载,在电机驱动应用实例中,可以将控制环路速度提高12%。

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U5还集成了用于优化内、外部存储上指令与数据吞吐速度的Cache(8 kB指令Cache,4kB数据Cache)和Art加速器以及用于图形处理加速的Chrom-Art,以实现更流畅更高颜值的图形显示界面。

作为MCU来讲,内部存储是另外一个重要性能指标。STM32U5在存储空间也得到了进一步扩大。STM32U5的Flash目前支持1MB至2MB。同时,Flash中包含512KB具有100K次擦写保证,为用户数据反复保存提高可靠性。而SRAM配备768KB,并且支持ECC,从而满足关键安全应用。同时,STM32U5还配备了存储控制器接口FSMC,以及OctoSPI,从而支持更灵活的外部存储扩充。

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  • 多方位技术创新实现超低功耗

超低功耗是STM32U5的第二个关键词。U5通过多方位技术创新实现出色的低功耗特性:
  • 引入LPBAM低功耗自主工作模式,可以让直接存储访问(DMA)控制器和外围设备在大多数设备休眠时保持正常工作,极大降低系统功耗
  • 采用40nm制造技术,可节省动态工作模式和节能模式的功耗
  • 传承了上一代MCU STM32L系列的超低功耗成功产品特性
  • 创新LPBAM低功耗自主工作模式,极大降低系统平均功耗
  • 更灵活的功耗模式,延长电池使用时间,增强用户体验
  • 提供多种低功耗模式选择,并支持快速唤醒,其低功耗性能在第三方平台EEMBC获得多项优秀跑分

  • 丰富的接口和外设

丰富的接口和外设是STM32U5的第三个关键词。U5具有更高的集成度,集成各类数字模拟外设、先进的硬件加速器、更大的存储单元。STM32U5还提供了先进的高速14位模数转换器(ADC)。

多功能数字滤波器(MDF)和音频数字滤波器(ADF)取代了ST的Sigma-Delta调制数字滤波器(DFSDM)。现在,通过提高声音活动检测性能,这些功能让用户能够将AI集成到基于低成本、低功耗微控制器的应用场景。此外,通过在产品SRAM存储器内嵌入纠错码(ECC)存储器,STM32U5 MCU还可以满足功能安全关键应用的要求

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  • 强大的信息安全特性

无论工业控制、个人医疗健康设备,还是工业表计应用,都会有各种类型的数据交换,因此对安全性要求更高。STM32U5系列引入了创新安全技术,以实现强大的信息安全特性:

  • 加密引擎(AES)和公钥算法加速器(PKA)硬件单元具有抵御差分功率分析(DPA)和测信道攻击的能力
  • 使用硬件唯一密钥(HUK)保护数据存储安全
  • 主动防篡改检测
  • 内部监控技术可以在发生干扰攻击时删除机密数据,有助于满足PCI安全标准委员会(PCI SSC)对销售终端设备(POS)的安全要求
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此外,U5还集成了更多安全功能以保护客户的设计,数据支持硬件隔离,加解密,安全认证,保证产品长生命周期,存储保护,主动防攻击系统,信任根等,全方位守护用户的系统以及数据安全。

STM32U5的高能效比已经被用户和市场充分验证,目前已经在各类泛工业应用获得用户的肯定,被应用到工业智能流量计、健康及健身类穿戴产品、医疗监护设备、POS支付终端等对于高性能、低功耗和安全性有高要求的场景中。

来源:STM32

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围观 37

STM32CubeU5 MCU 包带一组丰富的运行于意法半导体板件之上的示例。示例按板件进行管理,提供预先配置的项目给主要支持的工具链(请参考)。

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图 1. STM32CubeU5 固件组件

参考文档

以下各项构成了本应用笔记中出现的示例的参考集合:

详阅请点击下载《STM32U5 系列的 STM32Cube MCU 包示例》

来源:STM32
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围观 53

STM32U5 是ST在2021年推出的新一代超低功耗产品,不仅在工艺(40nm制程),性能(主频160MHz),低功耗(超低功耗模式低至:110nA,动态功耗低至:19μA/MHz )等多个方面都有显著提升,在信息安全方面也增加很多新特性。

STM32U5目前已经推出STM32U575、 STM32U585两个系列,这两者区别之一是 STM32U585芯片内置了AES,SAES和PKA硬件加解密引擎, STM32U575只有软件方式实现的加解密算法。

STM32U5的硬件加解密引擎相对于纯软件实现有多方面的优势,比如:硬件SAES、PKA模块具备侧信道攻击防御能力,有更高的安全性,更高的性能,更快的运算速度,计算过程中不需要CPU参与,CPU可以处理其他更具有实时性要求的任务,同时在存储空间占用和功耗上也更有优势。

我们将从性能、功耗和存储空间占用几方面 ,将STM32U5硬件加解密引擎和软件实现算法做一个对比。

通过EEMBC SecureMarkTLS评测跑分,对比软硬件算法实现

我们使用 EEMBC SecureMarkTLS 对U575(纯软件)和U585(带硬件加速引擎)分别进行性能和能耗的对比。

EEMBC SecureMark是一个公认标准化的、用于衡量加解密操作效率的基准测试套件。在SecureMark中,EEMBC计划支持对不同应用领域的各种安全配置进行测试和分析。其中第一个授权可用的是SecureMark-TLS,它专注于物联网(IoT)边缘节点的传输层安全(TLS)。

SecureMark-TLS基准配置文件对用于安全互联网通信的传输层安全(TLS)协议所需的加解密操作进行建模。TLS协议提供了交换消息的机密性和完整性,并且可以对通信双方进行身份验证。SecureMark-TLS测量物理设备(可以是开发板或最终产品) 在执行一组指定的加解密操作时的性能和功耗。功耗测量被换算成一个最终的单一分数,该分数代表物联网边缘节点设备的TLS操作。想了解 SecureMark-TLS 测试套件的更多信息 ,请访问https://www.eembc.org/securemark/

✦ EEMBC SecureMarkTLS跑分对比

点击链接访问https://www.eembc.org/securemark/scores.ph ,可以看到 ST发布的使用 EEMBC SecureMarkTLS测试套件的测试报告。

选择STM32U575 RevB Core MHz:160 和STM32U585 RevB Core MHz:160 (我们选择的是最大主频 160MHz),可以看到测试的硬件环境如下图所示:

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

测试的软件和Crypto信息如下:

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

请注意蓝框中标出测试的算法库和版本:Software Library(ies) and Version: mbedTLS 2.4.2。

mbedTLS 现已被arm公司收购并由arm技术团队进行维护更新,是对TLS和SSL协议实现的算法库。mbedTLS的目标是:易于理解,使用,集成和扩展。它主要是面向小型嵌入式设备,代码紧凑,而且执行效率高,可以说是行业内最小巧的SSL加密算法库。并且mbedTLS是完全OpenSource的,支持Apache 2.0 license 或者GPL 2.0 license双重许可,可以自由应用于商业项目中。

在 U575 上,我们直接运行的是开源的mbedTLS 2.4.2,算法部分是开源的mbedTLS 2.4.2里面实现的软件算法; 在U585上,同样运行的是开源的mbedTLS 2.4.2,但算法部分使用U585自带的硬件加解密引擎。

在下图的测试结果中,SecureMark-TLS 是对整体功耗的跑分总评,SecureMark-TLS Performance 是对整体性能的跑分总评。后面我们又分别列出了不同算法的性能和功耗的分数。

Benchmark跑分总评

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

说明:

  • 测试中硬件加速的部分采用mbedtls ALT function方式,由于数据存储方式,API等原因,并未使U585 HW crypto性能得到最大化利用;
  • 实际应用程序如果直接调用Driver,则可有更高的性能和能耗表现。

Mbedtls软件作为运行的代码进行benchmark,对比U575纯软件和U585带硬件加速的性能和能耗。

Benchmark子项:AES 性能 + 能耗

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

Benchmark子项:SHA 性能 + 能耗

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

Benchmark子项:ECC 性能 + 能耗

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

硬件加解密引擎(HAL驱动)与Cryptolib软件算法对比

软件算法部分采用ST 的 X-CUBE-CRYPTOLIB作为对比的对象。X-CUBE-CRYPTOLIB是基于STM32的软件算法库,支持STM32全系列产品,提供多种主流算法的实现,针对不同的内核进行了算法优化,支持多种使用的配置模式(高性能、小代码量等选择)。硬件引擎的使用则通过直接调用HAL驱动来完成。

我们通过以下几个常用的典型算法进行对比,比较的内容为软硬件实现的性能和存储空间占用情况:

  • AES CBC加密和解密
  • RSA加密和解密
  • ECDSA签名和验签

✦ 性能对比

AES CBC 数据流加解密:每秒数据处理能力 (以8KB数据做测试, 每次处理大小分别为128, 512, 1024, 2048字节的结果)

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

RSA加解密

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

ECC签名验签

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

✦ 存储空间占用情况

存储空间的占用和选择的编译器、编译器版本、编译选项和配置等很多因素有关,下面的数据仅供参考。

X-CUBE-CRYPTOLIB 的更多详细数据,请参考https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/Security:STM32U5_Series:_Cryptographic_Library_Performance

Memory Footprint HAL + HW vs. Cryptolib SW

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

“探秘STM32U5安全特性|硬件加解密引擎与软件算法对比"

硬件加解密引擎优势总结

综上所述,硬件加解密引擎具有更高安全性、更高性能、更低功耗和更少的系统资源需求。

✦ 更高安全性

  • SAES和PKA引擎具备攻击防御能力(侧信道攻击,错误注入攻击)
  • HUK+SAES提供基于硬件的安全存储功能,防克隆,防软件逻辑攻击

✦ 更高性能

  • 相较于软件实现 x5 倍的数据AES加解密处理能力
  • 相比软件实现快5~10倍的签名验签操作
  • 十倍的Hash运算

✦ 更低功耗

完成相同运算所消耗的能量只有软件运算的几分之一

✦ 更少系统资源需求

  • 运算过程中CPU可以处理器其他高优先级事物
  • 运算无需占用额外Flash与RAM空间

来源:STM32
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围观 88

1、前言

LPBAM 全称为 low-power background autonomous mode,系统时钟可以在进入低功耗模式之后打开或关闭,可以触发 DMA 请求,可以在 stop0,stop1,stop2 模式下使用。在 stop 模式下除了 LSI 和 LSE 以外其他时钟都会关闭,但 MSIK 和 HSI16 可以被临时使能,以支持 DMA 传输,这就是 LPBAM 的特点。

另外,LPBAM 需要 DMA 来进行配合,U5 系列的 DMA 有 Linked List 功能,也就是说DMA 可以完成链表设计好的任务。在初始化的时候,以链表模式设置好 DMA 相关寄存器,可以通过链表模式完成内存到内存,或者内存和外设寄存器之间的数据传输。

由于 LBAM 的特性,在进行低功耗应用设计时,可以使用 LPBAM 大大减少功耗,提升产品的低功耗性能。比如,可以在 stop2 模式下进行串口收发,ADC 采集任务等等。

本文将介绍如何使用 CubeMX,配置 DMA Linked List,在低功耗模式下,使用LPBAM 进行 GPIO Toggle。

2. 准备工作

2.1 环境准备

测试硬件:B-U585I-IOT02A 开发板

测试开发环境:IAR 8.50.1

CubeMX 版本:6.30.0

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2.2 设计思路

如图所示,我们先在内存中定义好需要写入 GPIO 寄存器的数值,其中 Set GPIO 就将数据写入 BSRR 寄存器,Reset GPIO 就将数据写入 BRR 寄存器。LPDMA 设置两个节点,一个去 Set GPIO,另一个 Reset GPIO,然后由软件触发,由 LPTIM1 CH1 的上升沿触发 LPDMA 第一个节点进行动作,LPTIM1 CH1 的下降沿触发 LPDMA 第二个节点进行动作。

LPTIM1 设置使用 LSI 32KHz 为时钟,频率为 32KHz,占空比为 50%的 PWM 波输出,也就是说 GPIO 会以 500ms 的频率进行 toggle。

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3.Step By Step

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STEP10-1:代码修改 main.c

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STEP10-2:代码修改 main.h

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STEP10-3:代码修改 stm32u5xx_it.c

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STEP10-4:代码修改 linked_list.c

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STEP10-5:stm32u5xx_hal_msp.c

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STEP11:

link file 修改 : stm32u585xx_flash.icf

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修改完后,编译工程,在按下 USER BUTTON 后,系统将进入 STOP2 模式, 板载 LED 会停止toggle,但是 LPGPIO 控制的 LED 仍然会继续 toggle。

4、总结

本文介绍了 LPBAM 模式,以及如何使用 CubeMX 方便地配置 DMA Linked List,最后完成了在 CPU 进入 Stop2 模式下的 GPIO toggle 任务。LPBAM 模式将会在打造超低功耗的产品中发挥非常重要的作用。

参考文献

RM0456:

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/group0/f3/60/ca/d2/98/c8/47/88/DM00477635/files/DM00477635.pdf/jcr:content/translations/en.DM00477635.pdf

文档中所用到的工具及版本

测试工具版本信息:

• IAR:8.50.1

• CubeMX:6.30.0

来源:STM32单片机
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围观 143

STM32U5在芯片生命周期管理方面在STM32L5的基础做了进一步的改进,引入了OEM Key机制,使得RDP的级别状态转换能够通过OEM设置的password进行保护。

详阅请点击下载《STM32U5 带_OEM Key保护的RDP降级》

来源:意法半导体STM
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