不久前,意法半導體(ST)發(fā)布了高性能的微控制器(MCU)

STM32H7。其突出特點之一是采用Arm Cortex-M系列中性能最高的480MHz Cortex-M7內核,并增加一顆240MHz Cortex-M4內核(如圖1),實現(xiàn)了3224 CoreMark,可謂業(yè)界性能最高的Arm Cortex-M通用MCU。

1 通過雙核實現(xiàn)超高性能的設計考量

眾所周知,MCU的另一巨頭廠商N公司兩年前就推出了基于M7單核的MCU,名為“跨界處理器”,特點是無內置閃存,主頻可達1 GHz、600 MHz等,CoreMark3000左右,實現(xiàn)了MCU的架構、MPU的應用。那么,ST為何不把H7的單核主頻提高,而是采用了較為復雜的雙核策略?另外,雙核是否意味著客戶的軟件編程難度提高了?

ST微控制器事業(yè)部STM32高性 能 產 品 線高 級 市 場 經理 R e n a u dBOUZEREAU指出,在內核跑分上,需要從兩方面看。

第一,主頻的提高會是影響Coremark跑分的一個非常重要的因素。

但是,整個工程的執(zhí)行效率并不能僅僅看主頻,還要看芯片內部的總線架構、訪問Flash的位數(shù),以及其余外設資源和硬件加速器等。而內置Flash執(zhí)行代碼的效率對比與外置QSPI Flash這種模式會高很多,也避免了很多總線沖突和內存配置的問題。從嵌入式設計角度而言,外面增加元器件也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第二,在設計產品的時候,ST一直在考慮性能和穩(wěn)定性的平衡。

越高的主頻,意味著產品會相對脆弱。ST研究過很多競爭對手的芯片,發(fā)現(xiàn)在高溫測試的時候,往往要降低主頻才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以ST在討論和研究后,認為480 MHz的主頻會是一個很好的平衡點。

為了解決雙核編程的挑戰(zhàn),ST從兩方面入手。第一,從硬件角度,在STM32H7雙核產品里,內置了硬件信號量的機制,硬件信號量可以將兩個核的運行狀態(tài)進行同步,例如有些外設通過M4處理的時候,通過硬件信號量通知M7內核該外設暫時不能被訪問的。

其次,從軟件角度,ST自有的CubeMX及IDE(集成設計環(huán)境)

都已經支持雙核的開發(fā)。在雙核開發(fā)時,兩個工程都會擺在同一個界面上做調試,這樣對于開發(fā)者會比較簡單,包括第三方操作系統(tǒng),例如FreeRTOS,現(xiàn)在支持雙核的設計,兩個核之間的通訊會通過內部Mailbox的機制進行通訊,將兩個核的信息進行同步。

除此之外,雙核還有獨特的“1+1>2”的優(yōu)勢。①通過靈活使用兩個內核,開發(fā)人員可以輕松升級現(xiàn)有應用,增加更先進復雜的圖形用戶界面。以電機控制為例,將以前在單核Cortex-M4MCU上的舊代碼遷移到STM32H7Cortex-M4上,同時在Cortex-M7上運行新GUI(圖形用戶界面)。

另一個例子是通過降低主處理器的密集型工作負荷,例如,神經網(wǎng)絡、校驗和、DSP過濾或音頻編解碼,提高應用性能。②雙核架構還有助于簡化代碼開發(fā),并縮短項目開發(fā)周期,將用戶界面代碼與實時控制或通信功能的開發(fā)分開進行。

2 內置閃存、SRAM的考慮

友商N公司的高性能MCU/跨界處理器的主要特色之一是無閃存。

但ST的方式依然是提供豐富的閃存/內存。ST中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應用總監(jiān)曹錦東解釋道,據(jù)ST調查,現(xiàn)在市場上超過80%~90%的客戶希望的架構是MCU內置flash(閃存)和RAM的,并擁有更多先進的外設,首先,這樣的架構可以縮小用戶的PCB(印制板)

面積和設計成本;其次,內置閃存非常安全,可防止外部盜取或篡改數(shù)據(jù)。因此,此次新的H7 MCU在片上額外提供高達2MB閃存和1MBSRAM。