Процесори в польотних контролерах: F1, F3, F4, G4, F7, H7

Коли справа доходить до створення FPV-дрона, вибір правильного мікро контролера для FC має важливе значення. F1, F3, F4, G4, F7 і H7 - це різні типи процесорів, які використовуються в польотних контролерах. Кожен процесор має свої плюси та мінуси, і потрібно розуміти відмінності між ними, щоб вибрати правильний для вашого дрона. У цій статті ми розглянемо особливості та можливості кожного процесора і допоможемо вам прийняти краще рішення при виборі польотного контролера.

Розуміння різних процесорів STM32 в польотних контролерах

F1, F3, F4, G4, F7 і H7 - це різні типи процесорів STM32, відомі як MCU (мікроконтролери), які є "мозком" контролерів польоту. MCU - це, мабуть, найбільший компонент на платі вашого FC. Це чорна квадратна мікросхема з безліччю контактів, що виходять з її країв.

Існує 11 типів мікроконтролерів STM32, від найшвидших до найповільніших за швидкістю обробки: H7, F7, G4, F4, F3, F2, F1, F0, L4, L1, L0. Кожен тип STM32 містить варіанти, які мають різні комбінації функцій, кількість виводів, фізичні розміри (корпуси) та об'єми пам'яті.

Нижче наведено таблицю поширених процесорів, що використовуються в обладнанні та компонентах для FPV-дронів, включаючи їхню швидкість обробки, флеш-пам'ять та SRAM:

Зверніть увагу, що згадана вище флеш-пам'ять - це внутрішня флеш-пам'ять всередині мікросхеми процесора STM32, яка зберігає коди прошивки польотного контролера. Не плутайте її з флеш-пам'яттю на польотному контролері, яка використовується для ведення blackbox логів

 і є окремою мікросхемою.

F0

Хоча мікросхеми F0 зазвичай використовуються в BLHeli_32 ESC через їхню економічну ефективність, вони не підходять для польотних контролерів через їхню обмежену потужність та пам'ять.

F1

Як перший 32-bit контролер польоту, що використовувався на FPV-дронах, процесор F1 (F103) був популяризований CC3D під управлінням OpenPilot та Naze32 під управлінням Baseflight ще у 2012 та 2013 роках. Однак, зараз контролери польоту F1 вважаються застарілими через апаратні обмеження, такі як низька тактова частота, брак пам'яті для зберігання прошивки, а також відсутність апаратного прискорення обчислень з floating point та недостатня кількість UART. В результаті вони більше не підтримуються більшістю прошивок, включаючи Betaflight (з 2017 року).

F3

Процесори F3 (F303) стали використовуватися в контролерах у 2014 році. Будучи більш потужними, ніж F1, F3 був очевидним вибором для заміни F1 завдяки їх сумісності pin-to-pin. В результаті, досвідчені користувачі могли замінити мікросхему F1 на F3 в якості апгрейду.

Однак, з розвитком прошивки Betaflight, ресурси процесорів F3 вичерпалися, і підтримка F3 FC була припинена Betaflight у 2019 році.

Переваги F3 над F1:

F3 має аналогічну тактову частоту на папері (72 МГц), але його FPU (він же "математичний співпроцесор") краще справляється з обчисленнями з gloating point, що робить його швидшим у роботі PID-контролерів на основі floating point. Це дозволяє пришвидшити PID-looptime.

Плати F3 зазвичай мають 3 UART, тоді як плати F1 - лише 2. Крім того, контролери польоту F3 пропонують спеціальний UART для порту USB (VCP), що є значною перевагою порівняно з платами F1. Користувачі плат F1 мають уникати підключення периферійних пристроїв до UART1, щоб зберегти його доступним для підключення до ПК, тобто плати F1 фактично мають лише один UART, доступний для додаткових пристроїв. З іншого боку, плати F3 можуть використовувати всі три UART для периферійних пристроїв.

Всі UART на процесорах F3 мають вбудовану інверсію, що дозволяє використовувати Frsky SBUS і Smart Port без будь-яких "прошивок".

F4

Контролери польоту F4 були представлені незабаром після F3 і швидко завоювали популярність завдяки своїй перевазі в обчислювальній потужності над F3.

Існує два основних варіанти F4, що використовуються в FC - F405 і F411. F405 потужніший, але більший за розміром і зазвичай використовується в більших, преміальних контролерах польоту розміром 30x30 мм. F411, з іншого боку, використовується в менших або доступніших за ціною БПЛА, оскільки має менший корпус. Контролери на базі F411 мають меншу частоту процесора, менший обсяг флеш-пам'яті та менше портів UART.

Однією з головних переваг F4 над F3 є швидкість обробки даних. Тактова частота процесора F4 становить 180 МГц, що більш ніж удвічі перевищує тактову частоту процесорів F1 і F3 (72 МГц). Крім того, F4 зазвичай має спеціальний FPU, що дає йому перевагу над F3 і F1.

Ще однією перевагою F4 FC є те, що вони зазвичай пропонують до 5 або більше UART, в той час як плати F3 зазвичай мають лише 3. Однак, важливо зазначити, що як процесори F1, так і F4 не мають вбудованої інверсії, як F3 і F7. Якщо ви хочете запустити Frsky SBUS або Smart Port, можливо, вам доведеться виконати інверсійний взлом. Однак це зовсім не важливо, якщо ви використовуєте приймачі інших виробників.

Деяка технічна інформація про те, чому F4 не працює з Frsky SmartPort нативно.

G4

Хоча мікросхема STM32 G4 може не мати найшвидшої обробки даних або найбільшого обсягу пам'яті, це найновіша мікросхема, яка використовується в авіаційних контролерах, навіть після H7. Це альтернатива F4 MCU через дефіцит чипів у 2021 та 2022 роках. G4 постачається з математичним прискорювачем для підвищення продуктивності польоту і має високу енергоефективність.

Першим польотним контролером, який використовує G4, є польотний контролер KISS G4 виробництва Fettec, який був випущений у жовтні 2021 року.

F7

Завдяки вищій швидкості обробки, ніж у F4 (216 МГц проти 168 МГц), F7 може обробляти складніші алгоритми та обчислення, що особливо корисно, оскільки програмне забезпечення для керування польотом стає дедалі складнішим. Можливості DSP F7 також роблять його кращою платформою для розробки майбутніх прошивок.

Існує кілька різних варіантів процесора F7, що використовуються в FC, причому STM32F745 є загальним вибором завдяки своїй високій тактовій частоті і великому об'єму пам'яті. Однак, більший корпус може ускладнити розміщення всіх необхідних функцій в обмеженому просторі. STM32F722 є меншим і доступнішим варіантом, але при цьому достатньо потужним для роботи з поточними версіями Betaflight, що робить його найпопулярнішим чипом F7, який використовується в контролерах польоту. STM32F765 є найпотужнішим процесором F7, який коли-небудь використовувався в авіаційних контролерах, але він має найбільший розмір корпусу, а також є найдорожчим.

Однією з переваг польотних контролерів F7 над платами F4 є кількість доступних UART, причому плати F7, як правило, мають більше вбудованих UART. Крім того, всі UART на платах F7 мають вбудовану інверсію сигналу, що є більш зручним для пілотів, які використовують приймачі FrSky.

H7

Процесор польотного контролера H7 на сьогоднішній день є найшвидшим з доступних процесорів з тактовою частотою 480 МГц, порівняно з 216 МГц у F7. Однак, вища тактова частота не робить різниці в продуктивності польоту на даний момент. Хоча польотні контролери F4 і F7 все ще здатні задовільнити більшість потреб, обчислювальна потужність H7 буде ставати все більш корисною, оскільки в майбутньому ми почнемо використовувати більше функції, що потребують обчислень.

Існує кілька варіантів чипа H7, що використовуються в FC. Перший польотний контролер на базі H7 був випущений компанією Seriously Pro Racing і називається H7 EXTREME. Він заснований на процесорі STM32H750, який є найдешевшим і найменшим чипом H7, з лише 128 кБ флеш-пам'яті (як і в F1). Цього обсягу пам'яті недостатньо для зберігання коду Betaflight. Щоб обійти це обмеження, код зберігається на зовнішній пам'яті, наприклад, на SD-карті. Коди завантажуються в оперативну пам'ять при вмиканні контролера польоту. Оновлення прошивки Betaflight відбувається так само просто, як і оновлення файлів прошивки на SD-карті, що усуває необхідність використання драйверів DFU. Це досить незвичний і непопулярний підхід, проте він є інноваційною концепцією, яка забезпечує рішення для обмеженої флеш-пам'яті найменшого варіанту мікросхеми H7.

Отже, який процесор мені взяти?

Краще не брати F1 і F3

Більшість з розглянутих процесорів (F4, F7, G4 і H7) сумісні з Betaflight і повинні працювати нормально протягом наступних кількох років, принаймні. Однак, вам не слід брати польотні контролери F1 і F3, оскільки вони більше не підтримуються Betaflight.

Флеш-пам'ять

При виборі польотного контролера важливо враховувати об'єм флеш-пам'яті процесора. Якщо в майбутньому прошивки FC стануть більшими, процесори з більшим об'ємом флеш-пам'яті матимуть перевагу. В даний час процесори STM32F405, STM32F745, STM32F765 і STM32H743 мають щонайменше 1 МБ флеш-пам'яті. З іншого боку, деякі процесори F4 і F7 мають лише 512 КБ, наприклад, STM32F411, STM32G491 і STM32F722. Хоча цих процесорів достатньо на даний момент, управління простором пам'яті буде тим, на чому розробники Betaflight будуть зосереджуватися і підтримувати так довго, як тільки зможуть.

Тактова частота

Тактова частота вже не так важлива, як раніше, особливо з встановленням частоти 4 кГц-8 кГц як бажаної частоти PID-loop. Процесори F4 можуть працювати на частоті 4 кГц, тоді як процесори F7 і H7 краще підходять для 8 кГц. Однак різницю в продуктивності між 4K і 8K важко помітити в повітрі, особливо для FC з гіроскопом BMI270, який обмежує частоту PID-loop до 3,2КГц, що робить достатнім використання дешевшого процесора F4.

Кількість UART

Кількість UART - ще один фактор, який слід враховувати при покупці польотного контролера. Маленькі дрони, такі як Tiny Whoops, зазвичай мають меншу кількість UART через обмеження простору, лише 2-3 UART. Контролери звичайного розміру зазвичай мають 5-6 UART, чого має бути достатньо для більшості користувачів.

F4, F7 і H7 підійдуть для: 

Загалом, якщо ви можете дозволити собі контролер польоту F7 або H7, він буде більш перспективним. Однак можна також віддавати перевагу дешевшому F405, оскільки він пропонує найкращу ціну на даний момент. З розвитком технологій швидші процесори забезпечать можливість використання нових функцій і периферійних пристроїв, що дозволить нам запускати більш складні програмні фільтри і алгоритми, які можуть підвищити продуктивність дронів.

Чи хороший процесор AT32?

Процесори AT32 були нещодавно представлені в польотних контролерах, пропонуючи продуктивність на рівні з аналогами STM32, але з перевагою в ціні. Цей новий тип процесора офіційно підтримується в Betaflight 4.5, що робить його непоганою альтернативою STM32. Зокрема, MCU AT32F435 може похвалитися порівняною продуктивністю з STM32F722 і STM32F405, що є ще одним чудовим варіантом для вибору польотного контролера.

Відсутні F2, F5 і F6?

Щоб пояснити відсутність STM32 F2, F5 і F6 в контролерах польоту, мікросхема F2 вважається старішою версією F4 і не має інтегрованої інверсії сигналу. Розробники просто пропустили їх і перейшли на кращу версію F3, яка забезпечує швидші обчислення завдяки вбудованому блоку з floating point. STM32 F5 і F6 просто не існують.

Назви мікросхем STM32

Мікросхеми STM32 мають такі назви: STM32F405RGT6 або STM32F745VGT6

Давайте розберемося і подивимося, що означають ці літери і цифри.

STM32 - це сімейство 32-bit мікроконтролерних інтегральних схем від компанії STMicroelectronics.

Букви в L1, F4, F7, H7 вказують на тип мікросхеми або її застосування.

L - низьке енергоспоживання( low power) 

F - основа або висока продуктивність( foundation or high performance)

G - mainstream

H - висока продуктивність( high performance)

W - бездротовий( wireless) 

Цифра вказує на ядро:

0 - Arm Cortex M0

1- Arm Cortex M3

2- Arm Cortex M3

3- Arm Cortex M4

4- Arm Cortex M4

7- Arm Cortex M7

Наступні дві цифри позначають рядок.

Наступна буква вказує на кількість штифтів:

C - 48

R - 64 або 66

V - 100

Наступна цифра або буква - розмір флеш-пам'яті, наприклад:

B - 128KB

C - 256KB

E - 512KB

G - 1MB

Наступна буква - корпус: H - BGA, T - LQFP, U - VFQFPN.

Наступна цифра - температурний діапазон, 6 означає від -40 до 85℃.