探索ARM Cortex-M7核心：為明日物聯(lián)網(wǎng)預(yù)做準(zhǔn)備

摘要：本技術(shù)白皮書將詳細(xì)闡述Cortex-M7處理器，探討在設(shè)計(jì)核心時面臨的架構(gòu)考量、以及關(guān)于配置選項(xiàng)的信息，同時也說明它在IoT應(yīng)用中的重要性。此信息適用于希望對處理器本身有更深一步了解的人士、或有興趣從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的專業(yè)人士。

ARM Cortex-M7 處理器

　　Cortex-M 處理器系列的最新成員是Cortex-M7。這款新的核心具備可用于支持新型嵌入式技術(shù)需求的功能，它設(shè)計(jì)用于需要較高處理性能、實(shí)時響應(yīng)能力和能效的應(yīng)用?？傮w而言，Cortex-M7 處理器包含下列關(guān)鍵特性：

　　● 高性能、雙指令簽發(fā) 6 級流水線，每個時鐘周期最多可執(zhí)行兩個指令;

　　● 64 位AXI 系統(tǒng)總線接口;

　　● 可選指令緩存(4 到 64KB)及數(shù)據(jù)緩存(4 到 64KB)，每種緩存內(nèi)存均有可選的 ECC(錯誤校正碼)支持;

　　● 可選 64 位指令緊密耦合內(nèi)存(ITCM)及可選雙 32 位數(shù)據(jù) TCM(D{0,1}TCM)，每個TCM內(nèi)存陣列均支持客戶ECC實(shí)現(xiàn);

　　● 可選的低延遲 AHB 外設(shè)總線接口，允許在實(shí)時應(yīng)用程序中對外設(shè)進(jìn)行確定性的快速訪問。

ARM Cortex-M7 處理器配置選項(xiàng)

　　Cortex-M7 處理器的微架構(gòu)與 Cortex-M 處理器系列中的其他核心不同。Cortex-M7的微架構(gòu)具有6級超標(biāo)量流水線實(shí)現(xiàn)，通過改善架構(gòu)性能(減少每個指令周期數(shù))和提升運(yùn)行頻率，大幅改善系統(tǒng)性能。為支持超標(biāo)量設(shè)計(jì)更高的指令和數(shù)據(jù)帶寬要求，其關(guān)鍵內(nèi)存接口設(shè)計(jì)為64位寬度。AXI 系統(tǒng)總線和單周期 ITCM 接口均為64位，雙32位 D-TCM 接口可以在一個周期內(nèi)處理兩個32位傳輸或一個64位數(shù)據(jù)傳輸。表1總結(jié)了Cortex-M7處理器微架構(gòu)中的總線，強(qiáng)調(diào)了新接口與前代 ARM Cortex-M 系列設(shè)備的對比。

　　在支持許多IoT應(yīng)用所需的內(nèi)存擴(kuò)展性時，AXI主控器接口可發(fā)揮重要的功能。由于新的使用模型建立于持續(xù)收集和分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，因此能夠利用外部內(nèi)存來增加功能性顯得至關(guān)重要。除了AXI主機(jī)接口外，TCM接口也提供最優(yōu)的單周期接口，用于執(zhí)行控制所需的實(shí)時運(yùn)算。若要支持超過5 CoreMarks/MHz的處理器性能級別，高性能內(nèi)存和總線接口則至關(guān)重要。

　　選擇要在SoC中使用哪些總線以及如何加以利用時，需要考慮多個要素，其中包括：

　　● 哪些外設(shè)需要連接Cortex-M7處理器上的AHB外設(shè)總線，來實(shí)現(xiàn)低延遲訪問能力?

　　● 哪些外設(shè)需要由DMA控制器訪問?

　　● 需要哪些形式的訪問控制和內(nèi)存保護(hù)?

　　舉例來說，在非常簡單的設(shè)計(jì)中，內(nèi)存系統(tǒng)可以連接至TCM接口，外設(shè)可以連接至AHB 外設(shè)接口，如圖2所示。這種配置使得SoC不僅能夠利用Cortex-M7核心的可縮放性能，而且仍然能夠應(yīng)對與成本和尺寸相關(guān)的挑戰(zhàn)。例如，通過SRAM與TCM接口的連接，可以活動支持，實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時性能的控制邊緣節(jié)點(diǎn)。

　　另一種配置選項(xiàng)是將嵌入式內(nèi)存和(或)外部內(nèi)存與AXI接口連接，并通過使用緩存內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)更高的性能。大多數(shù)微控制器應(yīng)用包含許多小的控制循環(huán)，因此固件執(zhí)行的緩存未命中數(shù)非常低。使用基于緩存的設(shè)計(jì)時，系統(tǒng)在從AXI總線系統(tǒng)執(zhí)行程序時的確定性可能較低。不過，可以在與ITCM接口連接的SRAM中，放入異常矢量表和中斷處理程序，從而實(shí)現(xiàn)在執(zhí)行中斷處理程序時的確定行為。

　　AXI接口和緩存的內(nèi)存可擴(kuò)展性、性能以及效率優(yōu)勢是滿足應(yīng)用需求的關(guān)鍵所在。此類配置提供與IoT應(yīng)用相符的諸多優(yōu)勢，如支持無線固件更新和利用大型外部內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲需求。然而，并非所有應(yīng)用案例都需要每個選項(xiàng)，所以必須要考量與成本、尺寸和功耗相關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　內(nèi)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提供各種各樣的配置選項(xiàng)。需要考慮多個方面和因素，其中包括：

　　● 來自AXI或TCM接口的執(zhí)行;

　　● 緩存大小(如果使用AXI);

　　● 嵌入式閃存訪問加速的方式，以及閃存的帶寬;

　　● 可選ECC支持。

　　許多不同因素可以影響到?jīng)Q策，如嵌入式閃存的讀取訪問速度，時鐘速度要求，以及目標(biāo)應(yīng)用的典型大小及其程序流行為。