智能化STM32 F7微控制器如何满足嵌入式系统更高处理性能需求

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意法半导体（ST）日前宣布推出业界首款基于ARM最新Cortex-M7内核的STM32 F7系列微控制器，其性能远超ST之前的32位STM32F4微控制器，通过无缝升级路径可将处理性能和DSP性能提高一倍。
       
        “作为STM32微控制器产品家族的高端产品，STM32 F7使内存和外存的性能达到一个新的水平，给开发人员带来新的创新机会，保证他们不需要再根据存储器性能调整代码。”ST微控制器市场总监Daniel Colonna表示，“而之所以能够在业内率先推出基于Cortex-M7的产品，首先得益于ST与ARM密切的合作关系。其次，ST也与第三方客户保持着广泛的合作，确保他们能够及时得到ARM最新的技术支持并推出新产品。强大的开发生态系统结合多元化的微控制器、传感器、功率器件和通信产品组合，以及贴心的客户技术支持服务，ST一直在延续STM32微控制器家族的优势。”
       
        Cortex-M7为高性能而生
       
        ARM嵌入式市场营销副总裁Richard YORK表示：“智能硬件的发展势不可挡，很多连网的智能嵌入式设备要求处理器提供更多的本地化处理功能，这对CPU的性能要求更高；此外，更多显示、人机交互的语言识别需求也要求更高的CPU处理性能。顺应这两大趋势，ARM推出了最新的Cortex-M7内核。”
       
        Cortex-M7目标定位于Cortex-M系列最高性能的CPU内核，针对诸如智能控制系统的高端嵌入式应用，包括马达控制、工业自动化、先进语音功能、图像处理、各类连网交通工具应用以及物联网相关应用。
       
        相较于目前性能最高的ARM架构微控制器，Cortex-M7可提升两倍的运算及数字信号处理性能，其性能测试结果高达5CoreMark/MHz，能够更快速地处理音频、影像数据及语音识别。Cortex-M7提供用于C语言的程序模型，且与现有Cortex-M系列产品二进制兼容。凭借完整的生态系统与软件兼容性，现有Cortex-M内核能够轻松迁移至Cortex-M7，设计人员可以重复利用各种程序代码，降低研发及维护等成本。
       
        Cortex-M7如何实现高性能？Richard YORK介绍，首先是采用分支预测的6级超标量流水线，因此可同时支持单精度和双精度浮点单元；二是支持64位的AXI AMBA4互联，可为高效内存操作提供I-cache与D-cache；三是兼顾实时性、快速的相应能力，支持12个周期的终端延迟。
       
        值得一提的是，Cortex-M7在DSP性能方面进行了大幅优化，甚至比热门的DSP产品更具竞争力。Cortex-M7主要的DSP特征包括：读取、内存与MAC的平行操作；支持SIMD与单周期MAC；单精度与双精度浮点单元；最小循环开销（分支预测/BTAC）；以及优化的DSP库。Richard YORK透露，ARM在规划Cortex-M7时，就希望能在某些应用领域用高端MCU取代DSP.Cortex-M7内核除了提供DSP的硬件部分，还配套DSP的软件服务，ARM Keil工具链帮助实现支持Cortex-M7的编制和调试，同时ARM软件界面也支持底层标准算法和接口，包括DSP优化算法。

       
       
       
        图：Cortex-M7方框图。

         
        智能系统架构提升STM32 F7处理性能
       
        Daniel Colonna介绍，STM32 F7意在通过在Cortex-M7内核外围集成可互连的恰当外设，打造史上智能化程度最高的STM32微控制器。具体而言，STM32 F7采用两个独立机制取得零等待执行性能：内部闪存采用ST ART Accelerator访存加速技术；为外部存储器（或内部存储器）提供一级高速缓存（4KB指令+4KB数据高速缓存）。AXI和先进高性能总线矩阵（Multi-AHB， Advanced High-performance Bus），内置双通用直接访存（DMA）控制器和以太网、通用串行总线On-the-Go高速（USB OTG HS， Universal Serial Bus On-the Go High Speed）和Chrom-ART Accelerator图形硬件加速等设备专用DMA控制器。此外，具有大容量分布式架构SRAM：在总线矩阵上有320KB共享数据存储容量（包括240KB +16KB）和保存实时数据的64KB紧耦合存储器（TCM， Tightly-Coupled Memory）数据RAM存储器；保存关键程序的16KB指令TCM RAM存储器；在低功耗模式下保存数据的4KB备份SRAM存储器。
       
        超出人们预期的是，STM32 F7的DSP性能是STM32 F4系列的2倍多，但其能耗并未牺牲。新系列运行模式和低功耗模式（停止、待机和VBAT）的功耗与STM32 F4保在同一水平线上：工作模式能效为7 CoreMarks/mW；在低功耗模式下，当上下文和SRAM内容全都保存时，典型功耗最低120 uA，典型待机功耗为1.7uA，VBAT模式典型功耗为0.1uA.
       
        STM32 F7系列采用ST的90nm嵌入式非易失性存储器CMOS制造工艺，这一工艺是STM32 F4产品于2011年发布至今Cortex-M微控制器领域性能最高的制造技术，这也证明了ST正在履行“加快自己及客户的创新，缩短上市时间”的承诺。随着ST开始进军更先进的技术节点，面向未来的系统架构有更大的空间提高微控制器的性能，据了解，ST的目标是在下一个技术节点达到2000CoreMark.