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

對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級超標(biāo)量流水線和浮點(diǎn)單元，測試分?jǐn)?shù)高達(dá)1000 CoreMarks，性能提升的同時保持高能效，與STM32F4系列管腳高度兼容等等。

??????? 一般來講，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64位AXI系統(tǒng)總線接口
-一個指令和數(shù)據(jù)高速緩存
-64位指令緊耦合存儲器（ITCM）
-雙32位數(shù)據(jù)緊耦合存儲器（DTCM）

????? 不過，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的幾個特色。
????? 首先，第一個重要特色在于STM32F7器件同時具有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)級芯片的框圖

ITCM和AXI雙接口的存在使得執(zhí)行代碼時具備更大的靈活性。此外，STM32F7還有一個稱為自適應(yīng)實(shí)時加速器（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。同時用戶代碼也不會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)閃存還是外部存儲器執(zhí)行代碼，在216MHz下均可達(dá)到1082 CoreMark/462 DMIPS。

????? 第二個重大特色在于內(nèi)部SRAM分布在不同的模塊中，以降低動態(tài)功耗，并允許從各個總線主機(jī)同時訪問不同的SRAM模塊，以優(yōu)化帶寬和延遲。
? ?此架構(gòu)的一個典型應(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進(jìn)行。

????? 第三個就是它的高級浮點(diǎn)單元。STM32F7系列器件具有一個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，包括環(huán)路控制、音頻處理、音頻解碼和數(shù)字濾波等。
????? 它還有個額外優(yōu)勢，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)之間的訪問仲裁
????? 該仲裁使用循環(huán)調(diào)度算法保障主機(jī)對從機(jī)的訪問，即使多個高速外設(shè)同時工作，也能實(shí)現(xiàn)同時訪問并高效運(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)從片上或片外存儲器讀取代碼和數(shù)據(jù)時可彌補(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，此時查看高速緩存將無法保證數(shù)據(jù)的確定性。

????? 這就是為什么要強(qiáng)烈推薦使用TCM存儲器來執(zhí)行關(guān)鍵代碼、存儲關(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，也可以通過其他主機(jī)進(jìn)行訪問（包括直接存儲器訪問（DMA）控制器），因此需要軟件維護(hù)操作。訪問物理存儲器時，這些主機(jī)可能會讀出過期的數(shù)據(jù)，而更新的數(shù)據(jù)在CPU高速緩存中已可用。

為了避免這個問題，開發(fā)者編寫用戶代碼時應(yīng)該采取以下措施：
A.當(dāng)除CPU以外的主機(jī)將執(zhí)行對高速緩存的訪問之前，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)被寫回到物理存儲器。
B.當(dāng)除CPU以外的主機(jī)對高速緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新后，在對高速緩存進(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器的直接讀取。
C.有時也需考慮無高速緩存操作。當(dāng)高速緩沖存頻繁被其他主機(jī)訪問時，可以通過CPU配置不可緩存屬性防止數(shù)據(jù)的不一致性。