ST的H7 MCU設(shè)計(jì)考量：用雙核實(shí)現(xiàn)高性能與實(shí)時(shí)組合

      不久前，意法半導(dǎo)體（ST）發(fā)布了高性能的微控制器（MCU）STM32H7。其突出特點(diǎn)之一是采用Arm Cortex-M系列中性能最高的480MHz Cortex-M7內(nèi)核，并增加一顆240MHz Cortex-M4內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了3224 CoreMark，可謂業(yè)界性能最高的Arm Cortex-M通用MCU。 

     ST微控制器事業(yè)部STM32高性能產(chǎn)品線高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理Renaud BOUZEREAU專程來京，與ST中國(guó)區(qū)微控制器事業(yè)部市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東先生，向媒體介紹了這款MCU的產(chǎn)品定義和設(shè)計(jì)考量。例如為何采用雙核架構(gòu)，為何沒有采用友商的無閃存模式，新增的安全功能，如何保證高性能產(chǎn)品的投入產(chǎn)出平衡等。

圖  ST的H7系列2019年產(chǎn)品規(guī)劃（注：雙核產(chǎn)品如期發(fā)布）

      1  為何通過雙核實(shí)現(xiàn)超高性能

      無獨(dú)有偶，MCU的另一大玩家N公司早在兩年前也推出了基于M7單核的MCU，名為“跨界處理器”，特點(diǎn)是無內(nèi)置閃存，主頻可達(dá)1 GHz、600MHz等，CoreMark 3000左右，實(shí)現(xiàn)了MCU的架構(gòu)、MPU的應(yīng)用。那么，ST為何不把H7的單核主頻提高，而是采用了較為復(fù)雜的雙核策略？另外，雙核是否意味著客戶的軟件編程難度提高了？

圖 H7的雙核CoreMark超過3200分

      Renaud BOUZEREAU解釋道，在內(nèi)核跑分上，需要從兩方面看。第一，主頻的提高會(huì)是影響Coremark跑分的一個(gè)非常重要的因素。但是，整個(gè)工程的執(zhí)行效率并不能僅僅看主頻，還要看芯片內(nèi)部的總線架構(gòu)、訪問Flash的位數(shù)，以及其余外設(shè)資源和硬件加速器等。而內(nèi)置Flash執(zhí)行代碼的效率對(duì)比與外置QSPI Flash這種模式會(huì)高很多，也避免了很多總線沖突和內(nèi)存配置的問題。從嵌入式設(shè)計(jì)角度而言，外面增加元器件也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

      第二，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，ST一直在考慮性能和穩(wěn)定性的平衡。越高的主頻，意味著產(chǎn)品會(huì)相對(duì)脆弱。ST研究過很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的芯片，發(fā)現(xiàn)在高溫測(cè)試的時(shí)候，往往要降低主頻才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以ST在討論和研究后，認(rèn)為480MHz的主頻會(huì)是一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。

      為了解決雙核編程的挑戰(zhàn)，ST從兩方面入手。第一，從硬件角度而言，在STM32H7雙核產(chǎn)品里，內(nèi)置了硬件信號(hào)量的機(jī)制，硬件信號(hào)量可以將兩個(gè)核的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步，例如有些外設(shè)通過M4處理的時(shí)候，通過硬件信號(hào)量通知M7內(nèi)核該外設(shè)暫時(shí)不能被訪問的。

      其次，從軟件角度，ST現(xiàn)在的CubeMX及IDE（集成設(shè)計(jì)環(huán)境）都已經(jīng)支持雙核的開發(fā)。在雙核開發(fā)時(shí)，兩個(gè)工程都會(huì)擺在同一個(gè)界面上做調(diào)試，這樣對(duì)于開發(fā)者會(huì)比較簡(jiǎn)單，包括第三方操作系統(tǒng)，例如FreeRTOS，現(xiàn)在支持雙核的設(shè)計(jì)，兩個(gè)核之間的通訊會(huì)通過內(nèi)部有一個(gè)Mailbox的機(jī)制在進(jìn)行通訊，將兩個(gè)核的信息進(jìn)行同步。

     除此之外，雙核還有獨(dú)特的“1+1＞2”的優(yōu)勢(shì)。首先，通過靈活使用兩個(gè)內(nèi)核，開發(fā)人員可以輕松升級(jí)現(xiàn)有應(yīng)用，增加更先進(jìn)復(fù)雜的圖形用戶界面。以電機(jī)控制為例，將以前在單核Cortex-M4 MCU上的舊代碼遷移到STM32H7 Cortex-M4上，同時(shí)在Cortex-M7上運(yùn)行新GUI（圖形用戶界面）。另一個(gè)例子是通過降低主處理器的密集型工作負(fù)荷，例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、校驗(yàn)和、DSP過濾或音頻編解碼，提高應(yīng)用性能。

      其次，雙核架構(gòu)還有助于簡(jiǎn)化代碼開發(fā)，并縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，將用戶界面代碼與實(shí)時(shí)控制或通信功能的開發(fā)分開進(jìn)行（如下圖）。

圖  H7雙核應(yīng)用案例之一，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖形顯示等在M7上運(yùn)行，實(shí)時(shí)控制、通信功能在M4上運(yùn)行    

      2  內(nèi)置閃存、SRAM的考慮

      友商N(yùn)公司的高性能MCU/跨界處理器的主要特色之一是無閃存。但ST依然提供了豐富的閃存。ST稱，與無閃存處理器相比，H7 MCU在片上額外提供高達(dá)2MB閃存和1MB SRAM，更好地解決了存儲(chǔ)空間限制問題，并簡(jiǎn)化了具有實(shí)時(shí)性能或AI處理要求的工業(yè)、消費(fèi)和醫(yī)療智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

      那么，ST為何不做這種無閃存的產(chǎn)品呢？Renaud BOUZEREAU稱，據(jù)ST調(diào)查，現(xiàn)在市場(chǎng)上超過80%~90%的客戶希望的架構(gòu)是MCU內(nèi)置flash、內(nèi)置RAM的，并擁有更多先進(jìn)的外設(shè)，首先，這樣的架構(gòu)可以縮小他們的PCB（印制板）面積和設(shè)計(jì)成本。其次，內(nèi)置閃存非常安全，可防止外部盜取或篡改數(shù)據(jù)。

      3  生產(chǎn)流程的安全保障

      H7的另一新特色是保證生產(chǎn)流程的安全。據(jù)悉，H7 MCU配備預(yù)安裝密鑰和原生安全服務(wù)，包括安全固件安裝（SFI）。SFI允許客戶在世界任何地方訂購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，并將加密固件交付給外部編程公司，避免未加密的代碼泄密。此外，內(nèi)置安全啟動(dòng)和安全固件更新（SB-SFU）支持功能，保護(hù)空中下載（OTA）升級(jí)和補(bǔ)丁的安全。

      那么，為何要增加安全固件安裝（SFI）？這與其他的MCU安全芯片有什么區(qū)別嗎？    

      實(shí)際上，安全需要跟具體的應(yīng)用環(huán)境相關(guān)，換句話，安全是一種服務(wù)。在生產(chǎn)流程安全方面，服務(wù)表現(xiàn)在假如我是一家設(shè)計(jì)公司，我把我的芯片通過其他加工廠去做燒錄。是我怎么確保我的代工廠按照我的要求把我的程序進(jìn)行燒入芯片，這里是有不同的加密的軟件，通過智能卡/硬件安全模組(HSM)給了用戶，給了加工廠，這是個(gè)公鑰，這個(gè)程序是加過密的，這個(gè)程序是需要用公鑰去解密的，如果沒有這個(gè)智能卡解密的加密程序，即使外人拿到也不能進(jìn)行燒錄和破解。第二個(gè)特點(diǎn)是每使用的時(shí)候會(huì)確認(rèn)這個(gè)代碼是不是一開始開發(fā)的代碼，如果代碼有木馬程序，就不會(huì)啟動(dòng)。

     4  H7如何保證投資產(chǎn)出的平衡

     STM32的產(chǎn)品線越來越豐富細(xì)化，例如H7兩年前是單核，現(xiàn)在又出了雙核產(chǎn)品。出爐這么多細(xì)分高端產(chǎn)品，會(huì)不會(huì)帶來制造成本的壓力？

    Renaud BOUZEREAU解釋道，從芯片的制造而言，因?yàn)槭腔谕瑯拥钠脚_(tái)，例如現(xiàn)在的H7是屬于40nm平臺(tái)，在40nm平臺(tái)上，這是一次性投資的技術(shù)，投入之后，ST在這個(gè)平臺(tái)上面去開發(fā)更多的產(chǎn)品來滿足用戶的需求，這相對(duì)于一次性技術(shù)投入，成本較小。

    從另外角度來看，之所以會(huì)生產(chǎn)很多細(xì)分的產(chǎn)品，主要是為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)在越來越細(xì)分化的市場(chǎng)需要。ST現(xiàn)在有上千個(gè)型號(hào)，每個(gè)型號(hào)的資源配置都是根據(jù)很多細(xì)分應(yīng)用來決定的。從性價(jià)比上來講，如果你只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的功能，而我們提供一個(gè)非常強(qiáng)大的MCU，價(jià)格肯定會(huì)比你預(yù)期的貴不少。所以ST會(huì)創(chuàng)造出不同的產(chǎn)品，來滿足各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的需求。

     曹錦東先生補(bǔ)充道，高性能并不代表批量的減少，ST追求的是技術(shù)的迭代，因?yàn)楫?dāng)12年前（2007年）ST發(fā)布STM32F1時(shí)，工藝是180nm，那個(gè)時(shí)候投資回報(bào)率（ROI）這個(gè)問題同樣是有——因?yàn)槟菚r(shí)主要市場(chǎng)還是8位、16位MCU，但五年、十年后，32位MCU變成了巨大的市場(chǎng)。因此，技術(shù)會(huì)推動(dòng)或者可以激發(fā)更多創(chuàng)新的應(yīng)用，幫助客戶把過去不敢想象的應(yīng)用，基于新的技術(shù)、新的產(chǎn)品去實(shí)現(xiàn)。

圖 STM32家族一覽表