高端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用迅速成長(zhǎng) 激發(fā)MCU性能大攀升

　　迅速成長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件、可穿戴式設(shè)備以及工業(yè)和汽車電子領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">微控制器（MCU）性能和功耗的要求日趨苛刻，如同智能手機(jī)處理器的性能大戰(zhàn)一樣，嵌入式處理器產(chǎn)品也正在經(jīng)歷屬于自己的性能提升大戰(zhàn)。意法半導(dǎo)體（ST）近日就宣布推出業(yè)界首款基于ARM最新Cortex-M7內(nèi)核的STM32 F7系列微控制器，其性能遠(yuǎn)超ST之前的32位STM32F4微控制器，用戶通過(guò)無(wú)縫升級(jí)路徑可將處理性能和DSP性能提高一倍。

　　為高性能而生的Cortex-M7

　　一直以來(lái)，ARM Cortex-M架構(gòu)處理器都是嵌入式領(lǐng)域的核心產(chǎn)品。數(shù)據(jù)顯示，截止目前，該系列的芯片出貨量已經(jīng)達(dá)到了80億顆、涉及器件種類3000種以上。 2013年，基于Cortex-M架構(gòu)的嵌入式處理器的出貨總量達(dá)到了29億，2014年上半年的總出貨量更是達(dá)到了17億，超過(guò)175家來(lái)自全球的合作伙伴獲得了Cortex-M授權(quán)。

　　作為Cortex-M系列最高性能的CPU內(nèi)核，Cortex-M7目標(biāo)定位于諸如智能控制系統(tǒng)的高端嵌入式應(yīng)用，包括馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、先進(jìn)語(yǔ)音功能、圖像處理、各類聯(lián)網(wǎng)交通工具應(yīng)用以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。除ST外，首批獲得Cortex-M7處理器授權(quán)的廠商還包括Atmel與飛思卡爾（Freescale）。

　　之所以推出Cortex-M7內(nèi)核，ARM嵌入式市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Richard York解釋說(shuō)，智能硬件的發(fā)展勢(shì)不可擋，很多連網(wǎng)的智能嵌入式設(shè)備要求處理器提供更多的本地化處理功能，這對(duì)CPU的性能提出了更高要求。與此同時(shí)，更多顯示、人機(jī)交互的語(yǔ)言識(shí)別需求也要求更高的CPU處理性能，這成為ARM設(shè)計(jì)M7內(nèi)核的源動(dòng)力所在。

　　“十年前，當(dāng)ARM推出第一個(gè)Cortex-M系列內(nèi)核時(shí)，我們承諾將把Cortex-M系列32位MCU做到一美元，甚至更低價(jià)位的市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)幾乎所有人都覺(jué)得這是一個(gè)玩笑。但現(xiàn)在實(shí)際的市場(chǎng)需求告訴我們，這不是一個(gè)玩笑，而是一個(gè)事實(shí)。”York認(rèn)為這得益于ARM與包括ST在內(nèi)的合作伙伴始終保持著密切的合作關(guān)系，并且共同搭建了良好的嵌入式生態(tài)系統(tǒng)，從而能夠?yàn)楦黝愋偷那度胧綉?yīng)用設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、更智能且更為可靠的微控制器。

　　ARM給出的數(shù)據(jù)顯示，相較于目前性能最高的ARM架構(gòu)微控制器，Cortex-M7可提升兩倍的運(yùn)算及數(shù)字信號(hào)處理性能，其性能測(cè)試結(jié)果最高達(dá)5CoreMark/MHz，能夠更快速地處理音頻、影像數(shù)據(jù)及語(yǔ)音識(shí)別。而以下三點(diǎn)，則被Richard York視作確保M7內(nèi)核實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵所在：首先，M7內(nèi)核采用分支預(yù)測(cè)的6級(jí)超標(biāo)量流水線，可同時(shí)支持單精度和雙精度浮點(diǎn)單元;其次，支持64位 AXI AMBA4互聯(lián)，可為高效內(nèi)存操作提供I-cache與D-cache;最后，則是兼顧實(shí)時(shí)性、快速的相應(yīng)能力，支持12個(gè)周期的中斷延遲。

　　對(duì)DSP性能方面進(jìn)行大幅優(yōu)化，使之比熱門的DSP產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，是此番ARM賦予Cortex-M7內(nèi)核的重要賣點(diǎn)之一。 York說(shuō)：“在最初規(guī)劃Cortex-M7時(shí)，ARM就希望能在某些應(yīng)用領(lǐng)域采用高端MCU取代DSP。為此，我們不但提供DSP的硬件部分，還包括配套的DSP軟件服務(wù)。同時(shí)，ARM Keil工具鏈可幫助實(shí)現(xiàn)支持Cortex-M7的編制和調(diào)試，ARM軟件界面也支持底層標(biāo)準(zhǔn)算法和接口，包括DSP優(yōu)化算法?！?/p>

　　智能系統(tǒng)架構(gòu)提升STM32 F7處理性能

　　ST微控制器市場(chǎng)總監(jiān)Daniel Colonna將STM32 F7稱之為“ST有史以來(lái)最聰明、最智能的微控制器”，不僅因?yàn)樗蠧ortex-M7內(nèi)核，關(guān)鍵之處在于同時(shí)為該內(nèi)核配置了更多智能化的外設(shè)和總線。 “對(duì)一顆MCU芯片來(lái)說(shuō)，內(nèi)核相當(dāng)重要，但這不是全部。要想把內(nèi)核性能發(fā)揮到極致，需要從系統(tǒng)架構(gòu)層面做創(chuàng)新的設(shè)計(jì)?！?/p>

　　具體而言，STM32 F7采用兩個(gè)獨(dú)立機(jī)制取得零等待執(zhí)行性能，包括內(nèi)部閃存采用ST ART Accelerator訪存加速技術(shù)，為外部存儲(chǔ)器（或內(nèi)部存儲(chǔ)器）提供一級(jí)高速緩存;矩陣方面則使用了64位AXI和先進(jìn)高性能總線矩陣（Multi- AHB， Advanced High-performance Bus），加上特別設(shè)計(jì)的雙通用直接訪存（DMA）控制器，可以使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和指令輸送實(shí)現(xiàn)零等待;此外，ST在存儲(chǔ)方面做了更多的改進(jìn)和提升，專門設(shè)計(jì)了靈活的大容量分布式架構(gòu)SRAM以滿足不同的應(yīng)用需求。

　　盡管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(yùn)行模式和低功耗模式（停止、待機(jī)和VBAT）的功耗與STM32 F4保在同一水平線上：工作模式能效為7 CoreMarks/mW;在低功耗模式下，當(dāng)上下文和SRAM內(nèi)容全都保存時(shí)，典型功耗最低120μA，典型待機(jī)功耗為1.7μA，VBAT模式典型功耗為0.1μA。

　　STM32 F7系列采用ST的90nm嵌入式非易失性存儲(chǔ)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)，而據(jù)透露，ST的目標(biāo)是推出400MHz，同樣基于Cortex-M7架構(gòu)，性能達(dá)到2000CoreMark的微處理器產(chǎn)品。