基于ARM?Cortex?-M7內(nèi)核的高性能微控制器STM32F7系列特色分析

對(duì)于微處理界第一顆基于ARM?Cortex?-M7內(nèi)核的高性能微控制器STM32F7系列，相信很多人對(duì)它都不陌生了。比如STM32F7系列微控制器采用90nm工藝，工作頻率高達(dá)216MHz，采用6級(jí)超標(biāo)量流水線和浮點(diǎn)單元，測(cè)試分?jǐn)?shù)高達(dá)1000 CoreMarks，性能提升的同時(shí)保持高能效，與STM32F4系列管腳高度兼容等等。

??????? 一般來(lái)講，基于ARM?Cortex?-M7內(nèi)核的微控制器大多具有相似的處理器配置選項(xiàng)。通常包括：
-一個(gè)64位AXI系統(tǒng)總線接口
-一個(gè)指令和數(shù)據(jù)高速緩存
-64位指令緊耦合存儲(chǔ)器（ITCM）
-雙32位數(shù)據(jù)緊耦合存儲(chǔ)器（DTCM）

????? 不過(guò)，本文只是從應(yīng)用開發(fā)的層面介紹STM32F7系列有別于其它使用Cortex-M7內(nèi)核的MCU的幾個(gè)特色。
????? 首先，第一個(gè)重要特色在于STM32F7器件同時(shí)具有ITCM接口和AXI接口連接到片內(nèi)閃存，如圖1所示。

圖1：基于ARMCortex-M7內(nèi)核的系統(tǒng)級(jí)芯片的框圖

ITCM和AXI雙接口的存在使得執(zhí)行代碼時(shí)具備更大的靈活性。此外，STM32F7還有一個(gè)稱為自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器（ARTAccelerator?）的內(nèi)置閃存加速器，從而實(shí)現(xiàn)閃存零等待執(zhí)行。使用TCM接口和ART加速器能能實(shí)現(xiàn)與帶緩存AXI接口相似的性能。同時(shí)用戶代碼也不會(huì)有高速緩存失效或高速緩存維護(hù)操作的麻煩。

????? 利用ART Accelerator加速引擎和高達(dá)16kB的L1緩存，STM32F7MCU可實(shí)現(xiàn)ARM Cortex-M7的最佳性能。不管是從片內(nèi)閃存還是外部存儲(chǔ)器執(zhí)行代碼，在216MHz下均可達(dá)到1082 CoreMark/462 DMIPS。

????? 第二個(gè)重大特色在于內(nèi)部SRAM分布在不同的模塊中，以降低動(dòng)態(tài)功耗，并允許從各個(gè)總線主機(jī)同時(shí)訪問(wèn)不同的SRAM模塊，以優(yōu)化帶寬和延遲。
? ?此架構(gòu)的一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例就是人機(jī)界面，在人機(jī)界面中，音頻和圖形數(shù)據(jù)與系統(tǒng)RAM之間的傳輸必須同時(shí)進(jìn)行。

????? 第三個(gè)就是它的高級(jí)浮點(diǎn)單元。STM32F7系列器件具有一個(gè)高性能的單或雙精度浮點(diǎn)單元（FPU），支持所有ARM單或雙數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。FPU在需要浮點(diǎn)數(shù)學(xué)精度的許多應(yīng)用中提供了優(yōu)勢(shì)，包括環(huán)路控制、音頻處理、音頻解碼和數(shù)字濾波等。
????? 它還有個(gè)額外優(yōu)勢(shì)，那就是將某些功能的執(zhí)行或處理可以從CPU分流到FPU，使CPU用于其他任務(wù)。它支持雙精度，因此更易于使用雙精度浮點(diǎn)指令的基于PC的數(shù)學(xué)軟件。

????? 第四，STM32F7 MCU最具特色的設(shè)計(jì)之一是它們的智能系統(tǒng)架構(gòu)，它使用兩個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示：

?? 圖2：STM32F7微控制器的總線矩陣

AXI-to-multi-AHB橋?qū)XI4協(xié)議轉(zhuǎn)換成AHB-Lite協(xié)議
????? multi-AHB總線矩陣管理主機(jī)之間的訪問(wèn)仲裁
????? 該仲裁使用循環(huán)調(diào)度算法保障主機(jī)對(duì)從機(jī)的訪問(wèn)，即使多個(gè)高速外設(shè)同時(shí)工作，也能實(shí)現(xiàn)同時(shí)訪問(wèn)并高效運(yùn)行。

????? 最后，不得不提它的L1高速緩存。STM32F7嵌入了指令和數(shù)據(jù)高速緩存，當(dāng)從片上或片外存儲(chǔ)器讀取代碼和數(shù)據(jù)時(shí)可彌補(bǔ)插入等待狀態(tài)，從而提高性能。當(dāng)然，如果出現(xiàn)高速緩存失效和高速緩存行填充，此時(shí)查看高速緩存將無(wú)法保證數(shù)據(jù)的確定性。

????? 這就是為什么要強(qiáng)烈推薦使用TCM存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行關(guān)鍵代碼、存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的原因。這在必須保證安全操作的應(yīng)用中（如家電和電機(jī)）通常都很有用。

????? 由于高速緩存不僅可以由CPU訪問(wèn)，也可以通過(guò)其他主機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)（包括直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）控制器），因此需要軟件維護(hù)操作。訪問(wèn)物理存儲(chǔ)器時(shí)，這些主機(jī)可能會(huì)讀出過(guò)期的數(shù)據(jù)，而更新的數(shù)據(jù)在CPU高速緩存中已可用。

為了避免這個(gè)問(wèn)題，開發(fā)者編寫用戶代碼時(shí)應(yīng)該采取以下措施：
A.當(dāng)除CPU以外的主機(jī)將執(zhí)行對(duì)高速緩存的訪問(wèn)之前，推薦進(jìn)行高速緩存清零。這是為了確保CPU的最新的更新數(shù)據(jù)被寫回到物理存儲(chǔ)器。
B.當(dāng)除CPU以外的主機(jī)對(duì)高速緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新后，在對(duì)高速緩存進(jìn)行讀操作之前，CPU應(yīng)該使高速緩存失效。這是為了確保從物理存儲(chǔ)器的直接讀取。
C.有時(shí)也需考慮無(wú)高速緩存操作。當(dāng)高速緩沖存頻繁被其他主機(jī)訪問(wèn)時(shí)，可以通過(guò)CPU配置不可緩存屬性防止數(shù)據(jù)的不一致性。