Zmiany, zmiany, zmiany…

Koniec roku 2014 zaowocował wprowadzeniem przez STMicroelectronics pierwszych na świecie mikrokontrolerów wyposażonych w rdzeń Cortex-M7. W artykule – na kilka tygodni przed wprowadzeniem mikrokontrolerów STM32F7 do masowej produkcji – przedstawiamy ich ekspresową prezentację.

W ostatnich tygodniach 2014 rodzina rdzeni Cortex-M powiększyła się o nowe rozwiązanie nazwane przez firmę ARM mianem Cortex-M7 (schemat blokowy pokazano na rysunku 1). Jest to rozbudowana wersja rdzenia Cortex-M4, przystosowana do współpracy z wewnętrzną, szybką pamięcią SRAM TCM (dla danych i instrukcji programu), wyposażoną w pamięci cache dla danych i instrukcji, a także zaawansowany 6-poziomowy mechanizm przetwarzania potokowego z predykcją oraz sprzętowym wsparciem superskalarnego wykonywania programu (na rysunku 2 pokazano zasadę działania systemu potokowania). Wypadkowa wydajność nowego rdzenia wynosi nawet 5 CoreMark/MHz (do 3,23 DMIPS/MHz), co daje wynik ponad o 47% więcej niż uzyskiwano w przypadku rdzenia Cortex-M4 (3,4 CoreMark/MHz).

Rys. 1. Schemat blokowy rdzenia Cortex-M7

Rys. 2. Działanie systemu potokowania w rdzeniu Cortex-M7

Tab. 1. Podstawowe cechy rdzeni Cortex-M

Architektura rdzenia Cortex-M7 jest taka sama jak w przypadku rdzeni Cortex-M3 i Cortex-M4 (zgodnie z nomenklaturą firmy ARM nosi ona oznaczenie ARMv7E-M – tabela 1), a jego działanie jest zgodne z definicją architektury Harvard: magistrale zapewniające komunikację z pamięcią danych i poleceń są rozdzielone. Firma ARM w opisie konstrukcyjnym rdzenia użyła nowych mechanizmów obniżających pobór mocy, które są dostępne opcjonalne podczas implementacji rdzenia w nowoczesnych technologiach półprzewodnikowych, charakteryzujących się niewielkim wymiarem charakterystycznym.

Rys. 3. System magistralowy z interfejsem AXIM zastosowany w mikrokontrolerach STM32F7

Udoskonaleniem wprowadzonym w rdzeniu Cortex-M7 jest nowy interfejs komunikacyjny (de facto jest to konfigurowalna magistrala z lokalnymi kontrolerami) zastosowanym w rdzeniu Cortex-M7 i mającym wpływ na wypadkową prędkość pracy mikrokontrolera, jest Master AXI (AXIM – rysunek 3), który zapewnia „splatanie” kilku kanałów magistrali AHB w jeden, bardzo szybki kanał dwukierunkowej komunikacji rdzenia z otoczeniem (w rdzeniach Cortex-M4 rdzeń komunikuje się z otoczeniem za pomocą „standardowych” interfejsów-magistral AHB).

Pierwszą na świecie firmą, która zdecydowała się na zastosowanie rdzeni Cortex-M7 w swoich mikrokontrolerach jest STMicroelectronics, która poinformowała o pierwszych mikrokontrolerach z nowej rodziny STM32F7 w tym samym momencie, w którym firma ARM wprowadziła oficjalnie na rynek rdzeń Cortex-M7.

Rys. 4. Schemat blokowy interfejsu ART stosowanego w mikrokontrolerach STM32

Rozwiązania zastosowane przez firmę ARM w rdzeniu Cortex-M7 pozwalają na szybszy niż w przypadku poprzedników dostęp rdzenia do zawartości pamięci SRAM i Flash, oczywiście przy założeniu, że konstrukcja pamięci umożliwia bezpośredni odczyt danych z relatywnie wysoką częstotliwością (dla typowych pamięci nieulotnych za taką uchodzi próg 70-90 MHz). Żeby uniknąć efektu „wąskiego gardła” w dostępie do zawartości pamięci Flash, producenci stosują różne rozwiązania, na przykład w mikrokontrolerach STM32 pobieranie danych z pamięci Flash jest buforowane za pomocą sprzętowego akceleratora ART (Adaptive Real-Time – rysunek 4). Jego działanie polega m.in. na dekompozycji 128-bitowych słów przechowywanych w pamięci Flash na słowa 16- lub 32-bitowe, które są kolejkowane w lokalnej (wbudowanej w ART) pamięci cache. Według informacji publikowanych przez producenta, mechanizmy usprawniające dostęp do zawartości Flash spowodowały, że nie ma konieczności używania podczas odczytu wait-state’ów dotychczas istotnie zmniejszających realną prędkość transferu danych.

Rys. 5. Wydajności mikrokontrolerów z wybranych rodzin STM32

Efekty zabiegów konstruktorów mikrokontrolerów STM32F7 widać w ich wydajności: przy maksymalnej dopuszczalnej częstotliwości taktowania CPU, wynoszącej obecnie 200 MHz, uzyskiwana jest wartość CoreMark na poziomie 1000 (vs 608 w przypadku STM32F4 @180MHz – rysunek 5), a zgodnie z wybiegającymi w niezbyt odległą przyszłość zapowiedziami producenta, po zmianie technologii półprzewodnikowej używanej do produkcji mikrokontrolerów, planowane jest osiągnięcie wyniku testu CoreMark o wartości 2000.

Równie dobre wyniki rdzeń Cortex-M7 uzyskuje w przypadku wyrafinowanych obliczeniowo aplikacji DSP, na rysunku 6 pokazano wyniki (i porównanie wydajności) uzyskane przez Cortex-M7 oraz dwa wyspecjalizowane procesory DSP. Realizacja przykładowych aplikacji bazuje na bibliotekach CMSIS opracowanych i udostępnionych przez ARM.

Rys. 6. Porównanie wydajności w wykonywaniu algorytmów DSP (dla każdego testu punktem odniesienia jest Cortex-M7)

Rys. 7. Schemat blokowy mikrokontrolerów STM32F7

Producent opracowując mikrokontrolery STM32F7 zadbał o wyposażenie ich w bogaty zestaw elementów peryferyjnych (ich schemat blokowy pokazano na rysunku 7), w skład którego wchodzą wszystkie interfejsy znane z poprzednich generacji mikrokontrolerów oraz kilka nowych rozwiązań, w tym m.in.:

• zmodyfikowany podsystem generacji sygnałów zegarowych, pozwalający na modyfikację częstotliwości taktowania bloków peryferyjnych bez konieczności zmiany ustawień taktowania CPU,
• dwukanałowy transceiver I2S z obsługą SPDIF oraz 3 półdupleksowe kanały wejściowe SPDIF, interfejsy USB-OTG z wydzielonym zasilaniem, co pozwala korzystać z tego interfejsu także przy zasilaniu mikrokontrolera napięciem 1,8 V,
• dwa interfejsy QSPI, które sprzętowo realizują transmisję danych z pamięciami wyposażonymi w 1-, 4- lub 8-bitowe interfejsy komunikacyjne.

Mogłoby się wydawać, że bogate wyposażenie wewnętrzne i duże możliwości obliczeniowe muszą spowodować wzrost mocy pobieranej podczas pracy, ale według zapewnień producenta cechy te nie wpłynęły na pogorszenie ich parametrów „oszczędnościowych” w porównaniu z układami STM32F4, co pozwoliło uzyskać wynik 7 CoreMark/mW w trybie Run, statyczny pobór 120 mA w trybie STOP z podtrzymaniem zawartości pamięci SRAM, 1,7 mA w trybie STANDBY oraz 0,1 mA w trybie VBAT.

Rys. 8. Producent zapewnił kompatybilność mikrokontrolerów STM32F7 i STM32F4, jedynym wyjątkiem jest obudowa LQFP100

Projektanci podrodziny STM32F7 zadbali o jeszcze jedną ważną rzecz: ich kompatybilność z mikrokontrolerami STM32F4, zarówno pod kątem fizycznego rozmieszczenia wyprowadzeń w obudowie, jak i ich kompatybilności elektryczno-czasowej, co minimalizuje ryzyko powstania problemów w przypadku modyfikowania konstrukcji urządzeń z tymi mikrokontrolerami. Zabieg ten niezupełnie udał się w przypadku najmniejszych dostępnych w rodzinie STM32F7 obudów – LQFP100 – w których 30 wyprowadzeń jest umieszczonych odmiennie w obydwu podrodzinach (rysunek 8). Pozostałe planowane wersje obudów (na razie dla mikrokontrolerów STM32F75x) – LQFP144, LQFP176, UFBGA176, LQFP208, TFBGA216 oraz WLCSP143 – dokładnie odpowiadają mikrokontrolerom STM32F4.