ST的H7 MCU設計考量：用雙核實(shí)現高性能與實(shí)時(shí)組合

      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(diǎn)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，實(shí)現了3224 CoreMark，可謂業(yè)界性能最高的Arm Cortex-M通用MCU。 

     ST微控制器事業(yè)部STM32高性能產(chǎn)品線(xiàn)高級市場(chǎng)經(jīng)理Renaud BOUZEREAU專(zhuān)程來(lái)京，與ST中國區微控制器事業(yè)部市場(chǎng)及應用總監曹錦東先生，向媒體介紹了這款MCU的產(chǎn)品定義和設計考量。例如為何采用雙核架構，為何沒(méi)有采用友商的無(wú)閃存模式，新增的安全功能，如何保證高性能產(chǎn)品的投入產(chǎn)出平衡等。

圖  ST的H7系列2019年產(chǎn)品規劃（注：雙核產(chǎn)品如期發(fā)布）

      1  為何通過(guò)雙核實(shí)現超高性能

      無(wú)獨有偶，MCU的另一大玩家N公司早在兩年前也推出了基于M7單核的MCU，名為“跨界處理器”，特點(diǎn)是無(wú)內置閃存，主頻可達1 GHz、600MHz等，CoreMark 3000左右，實(shí)現了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(zhù)客戶(hù)的軟件編程難度提高了？

圖 H7的雙核CoreMark超過(guò)3200分

      Renaud BOUZEREAU解釋道，在內核跑分上，需要從兩方面看。第一，主頻的提高會(huì )是影響Coremark跑分的一個(gè)非常重要的因素。但是，整個(gè)工程的執行效率并不能僅僅看主頻，還要看芯片內部的總線(xiàn)架構、訪(fǎng)問(wèn)Flash的位數，以及其余外設資源和硬件加速器等。而內置Flash執行代碼的效率對比與外置QSPI Flash這種模式會(huì )高很多，也避免了很多總線(xiàn)沖突和內存配置的問(wèn)題。從嵌入式設計角度而言，外面增加元器件也會(huì )影響系統的穩定性。

      第二，在設計產(chǎn)品的時(shí)候，ST一直在考慮性能和穩定性的平衡。越高的主頻，意味著(zhù)產(chǎn)品會(huì )相對脆弱。ST研究過(guò)很多競爭對手的芯片，發(fā)現在高溫測試的時(shí)候，往往要降低主頻才能保證系統的穩定性。所以ST在討論和研究后，認為480MHz的主頻會(huì )是一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。

      為了解決雙核編程的挑戰，ST從兩方面入手。第一，從硬件角度而言，在STM32H7雙核產(chǎn)品里，內置了硬件信號量的機制，硬件信號量可以將兩個(gè)核的運行狀態(tài)進(jìn)行同步，例如有些外設通過(guò)M4處理的時(shí)候，通過(guò)硬件信號量通知M7內核該外設暫時(shí)不能被訪(fǎng)問(wèn)的。

      其次，從軟件角度，ST現在的CubeMX及IDE（集成設計環(huán)境）都已經(jīng)支持雙核的開(kāi)發(fā)。在雙核開(kāi)發(fā)時(shí)，兩個(gè)工程都會(huì )擺在同一個(gè)界面上做調試，這樣對于開(kāi)發(fā)者會(huì )比較簡(jiǎn)單，包括第三方操作系統，例如FreeRTOS，現在支持雙核的設計，兩個(gè)核之間的通訊會(huì )通過(guò)內部有一個(gè)Mailbox的機制在進(jìn)行通訊，將兩個(gè)核的信息進(jìn)行同步。

     除此之外，雙核還有獨特的“1+1＞2”的優(yōu)勢。首先，通過(guò)靈活使用兩個(gè)內核，開(kāi)發(fā)人員可以輕松升級現有應用，增加更先進(jìn)復雜的圖形用戶(hù)界面。以電機控制為例，將以前在單核Cortex-M4 MCU上的舊代碼遷移到STM32H7 Cortex-M4上，同時(shí)在Cortex-M7上運行新GUI（圖形用戶(hù)界面）。另一個(gè)例子是通過(guò)降低主處理器的密集型工作負荷，例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、校驗和、DSP過(guò)濾或音頻編解碼，提高應用性能。

      其次，雙核架構還有助于簡(jiǎn)化代碼開(kāi)發(fā)，并縮短項目開(kāi)發(fā)周期，將用戶(hù)界面代碼與實(shí)時(shí)控制或通信功能的開(kāi)發(fā)分開(kāi)進(jìn)行（如下圖）。

圖  H7雙核應用案例之一，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、圖形顯示等在M7上運行，實(shí)時(shí)控制、通信功能在M4上運行    

      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(wú)閃存。但ST依然提供了豐富的閃存。ST稱(chēng)，與無(wú)閃存處理器相比，H7 MCU在片上額外提供高達2MB閃存和1MB SRAM，更好地解決了存儲空間限制問(wèn)題，并簡(jiǎn)化了具有實(shí)時(shí)性能或AI處理要求的工業(yè)、消費和醫療智能產(chǎn)品設計。

      那么，ST為何不做這種無(wú)閃存的產(chǎn)品呢？Renaud BOUZEREAU稱(chēng)，據ST調查，現在市場(chǎng)上超過(guò)80%~90%的客戶(hù)希望的架構是MCU內置flash、內置RAM的，并擁有更多先進(jìn)的外設，首先，這樣的架構可以縮小他們的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據。

      3  生產(chǎn)流程的安全保障

      H7的另一新特色是保證生產(chǎn)流程的安全。據悉，H7 MCU配備預安裝密鑰和原生安全服務(wù)，包括安全固件安裝（SFI）。SFI允許客戶(hù)在世界任何地方訂購標準產(chǎn)品，并將加密固件交付給外部編程公司，避免未加密的代碼泄密。此外，內置安全啟動(dòng)和安全固件更新（SB-SFU）支持功能，保護空中下載（OTA）升級和補丁的安全。

      那么，為何要增加安全固件安裝（SFI）？這與其他的MCU安全芯片有什么區別嗎？    

      實(shí)際上，安全需要跟具體的應用環(huán)境相關(guān)，換句話(huà)，安全是一種服務(wù)。在生產(chǎn)流程安全方面，服務(wù)表現在假如我是一家設計公司，我把我的芯片通過(guò)其他加工廠(chǎng)去做燒錄。是我怎么確保我的代工廠(chǎng)按照我的要求把我的程序進(jìn)行燒入芯片，這里是有不同的加密的軟件，通過(guò)智能卡/硬件安全模組(HSM)給了用戶(hù)，給了加工廠(chǎng)，這是個(gè)公鑰，這個(gè)程序是加過(guò)密的，這個(gè)程序是需要用公鑰去解密的，如果沒(méi)有這個(gè)智能卡解密的加密程序，即使外人拿到也不能進(jìn)行燒錄和破解。第二個(gè)特點(diǎn)是每使用的時(shí)候會(huì )確認這個(gè)代碼是不是一開(kāi)始開(kāi)發(fā)的代碼，如果代碼有木馬程序，就不會(huì )啟動(dòng)。

     4  H7如何保證投資產(chǎn)出的平衡

     STM32的產(chǎn)品線(xiàn)越來(lái)越豐富細化，例如H7兩年前是單核，現在又出了雙核產(chǎn)品。出爐這么多細分高端產(chǎn)品，會(huì )不會(huì )帶來(lái)制造成本的壓力？

    Renaud BOUZEREAU解釋道，從芯片的制造而言，因為是基于同樣的平臺，例如現在的H7是屬于40nm平臺，在40nm平臺上，這是一次性投資的技術(shù)，投入之后，ST在這個(gè)平臺上面去開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，這相對于一次性技術(shù)投入，成本較小。

    從另外角度來(lái)看，之所以會(huì )生產(chǎn)很多細分的產(chǎn)品，主要是為了應對現在越來(lái)越細分化的市場(chǎng)需要。ST現在有上千個(gè)型號，每個(gè)型號的資源配置都是根據很多細分應用來(lái)決定的。從性?xún)r(jià)比上來(lái)講，如果你只需要實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的功能，而我們提供一個(gè)非常強大的MCU，價(jià)格肯定會(huì )比你預期的貴不少。所以ST會(huì )創(chuàng )造出不同的產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)足各個(gè)細分市場(chǎng)的需求。

     曹錦東先生補充道，高性能并不代表批量的減少，ST追求的是技術(shù)的迭代，因為當12年前（2007年）ST發(fā)布STM32F1時(shí)，工藝是180nm，那個(gè)時(shí)候投資回報率（ROI）這個(gè)問(wèn)題同樣是有——因為那時(shí)主要市場(chǎng)還是8位、16位MCU，但五年、十年后，32位MCU變成了巨大的市場(chǎng)。因此，技術(shù)會(huì )推動(dòng)或者可以激發(fā)更多創(chuàng )新的應用，幫助客戶(hù)把過(guò)去不敢想象的應用，基于新的技術(shù)、新的產(chǎn)品去實(shí)現。

圖 STM32家族一覽表