智能化STM32 F7微控制器如何滿(mǎn)足嵌入式系統更高處理性能需求

意法半導體（ST）日前宣布推出業(yè)界首款基于A(yíng)RM最新Cortex-M7內核的STM32 F7系列微控制器，其性能遠超ST之前的32位STM32F4微控制器，通過(guò)無(wú)縫升級路徑可將處理性能和DSP性能提高一倍。

“作為STM32微控制器產(chǎn)品家族的高端產(chǎn)品，STM32 F7使內存和外存的性能達到一個(gè)新的水平，給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)新的創(chuàng )新機會(huì )，保證他們不需要再根據存儲器性能調整代碼。”ST微控制器市場(chǎng)總監Daniel Colonna表示，“而之所以能夠在業(yè)內率先推出基于Cortex-M7的產(chǎn)品，首先得益于ST與ARM密切的合作關(guān)系。其次，ST也與第三方客戶(hù)保持著(zhù)廣泛的合作，確保他們能夠及時(shí)得到ARM最新的技術(shù)支持并推出新產(chǎn)品。強大的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統結合多元化的微控制器、傳感器、功率器件和通信產(chǎn)品組合，以及貼心的客戶(hù)技術(shù)支持服務(wù)，ST一直在延續STM32微控制器家族的優(yōu)勢。”

Cortex-M7為高性能而生

ARM嵌入式市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Richard YORK表示：“智能硬件的發(fā)展勢不可擋，很多連網(wǎng)的智能嵌入式設備要求處理器提供更多的本地化處理功能，這對CPU的性能要求更高；此外，更多顯示、人機交互的語(yǔ)言識別需求也要求更高的CPU處理性能。順應這兩大趨勢，ARM推出了最新的Cortex-M7內核。”

Cortex-M7目標定位于Cortex-M系列最高性能的CPU內核，針對諸如智能控制系統的高端嵌入式應用，包括馬達控制、工業(yè)自動(dòng)化、先進(jìn)語(yǔ)音功能、圖像處理、各類(lèi)連網(wǎng)交通工具應用以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應用。

相較于目前性能最高的ARM架構微控制器，Cortex-M7可提升兩倍的運算及數字信號處理性能，其性能測試結果高達5CoreMark/MHz，能夠更快速地處理音頻、影像數據及語(yǔ)音識別。Cortex-M7提供用于C語(yǔ)言的程序模型，且與現有Cortex-M系列產(chǎn)品二進(jìn)制兼容。憑借完整的生態(tài)系統與軟件兼容性，現有Cortex-M內核能夠輕松遷移至Cortex-M7，設計人員可以重復利用各種程序代碼，降低研發(fā)及維護等成本。

Cortex-M7如何實(shí)現高性能？Richard YORK介紹，首先是采用分支預測的6級超標量流水線(xiàn)，因此可同時(shí)支持單精度和雙精度浮點(diǎn)單元；二是支持64位的AXI AMBA4互聯(lián)，可為高效內存操作提供I-cache與D-cache；三是兼顧實(shí)時(shí)性、快速的相應能力，支持12個(gè)周期的終端延遲。

值得一提的是，Cortex-M7在DSP性能方面進(jìn)行了大幅優(yōu)化，甚至比熱門(mén)的DSP產(chǎn)品更具競爭力。Cortex-M7主要的DSP特征包括：讀取、內存與MAC的平行操作；支持SIMD與單周期MAC；單精度與雙精度浮點(diǎn)單元；最小循環(huán)開(kāi)銷(xiāo)（分支預測/BTAC）；以及優(yōu)化的DSP庫。Richard YORK透露，ARM在規劃Cortex-M7時(shí)，就希望能在某些應用領(lǐng)域用高端MCU取代DSP.Cortex-M7內核除了提供DSP的硬件部分，還配套DSP的軟件服務(wù)，ARM Keil工具鏈幫助實(shí)現支持Cortex-M7的編制和調試，同時(shí)ARM軟件界面也支持底層標準算法和接口，包括DSP優(yōu)化算法。

圖：Cortex-M7方框圖。

智能系統架構提升STM32 F7處理性能

Daniel Colonna介紹，STM32 F7意在通過(guò)在Cortex-M7內核外圍集成可互連的恰當外設，打造史上智能化程度最高的STM32微控制器。具體而言，STM32 F7采用兩個(gè)獨立機制取得零等待執行性能：內部閃存采用ST ART Accelerator訪(fǎng)存加速技術(shù)；為外部存儲器（或內部存儲器）提供一級高速緩存（4KB指令+4KB數據高速緩存）。AXI和先進(jìn)高性能總線(xiàn)矩陣（Multi-AHB， Advanced High-performance Bus），內置雙通用直接訪(fǎng)存（DMA）控制器和以太網(wǎng)、通用串行總線(xiàn)On-the-Go高速（USB OTG HS， Universal Serial Bus On-the Go High Speed）和Chrom-ART Accelerator圖形硬件加速等設備專(zhuān)用DMA控制器。此外，具有大容量分布式架構SRAM：在總線(xiàn)矩陣上有320KB共享數據存儲容量（包括240KB +16KB）和保存實(shí)時(shí)數據的64KB緊耦合存儲器（TCM， Tightly-Coupled Memory）數據RAM存儲器；保存關(guān)鍵程序的16KB指令TCM RAM存儲器；在低功耗模式下保存數據的4KB備份SRAM存儲器。

超出人們預期的是，STM32 F7的DSP性能是STM32 F4系列的2倍多，但其能耗并未犧牲。新系列運行模式和低功耗模式（停止、待機和VBAT）的功耗與STM32 F4保在同一水平線(xiàn)上：工作模式能效為7 CoreMarks/mW；在低功耗模式下，當上下文和SRAM內容全都保存時(shí)，典型功耗最低120 uA，典型待機功耗為1.7uA，VBAT模式典型功耗為0.1uA.

STM32 F7系列采用ST的90nm嵌入式非易失性存儲器CMOS制造工藝，這一工藝是STM32 F4產(chǎn)品于2011年發(fā)布至今Cortex-M微控制器領(lǐng)域性能最高的制造技術(shù)，這也證明了ST正在履行“加快自己及客戶(hù)的創(chuàng )新，縮短上市時(shí)間”的承諾。隨著(zhù)ST開(kāi)始進(jìn)軍更先進(jìn)的技術(shù)節點(diǎn)，面向未來(lái)的系統架構有更大的空間提高微控制器的性能，據了解，ST的目標是在下一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)達到2000CoreMark.