Mikrokontrolery STMicroelectronics: od Cortex-M0 do Cortex-M7

Mikrokontrolery STMicroelectronics: od Cortex-M0 do Cortex-M7
Pobierz PDF Download icon

STMicroelectronics jest jednym z liderów rynku mikrokontrolerów z rdzeniami Cortex-M, co się udało między innymi dzięki szerokiej i konsekwentnie rozwijanej ofercie. Od kilku tygodni dotychczasową ofertę mikrokontrolerów uzupełniły najnowsze opracowania - mikrokontrolery z nowym rdzeniem firmy ARM Cortex-M7 - oznaczone symbolem STM32F7.

Rysunek 1. Schemat blokowy rdzenia Cortex-M7

Mikrokontrolery STM32F7 dzięki budowie i możliwościom zastosowanego w nich rdzenia Cortex-M7 stanowią swoisty wydajnościowy pomost pomiędzy mikrokontrolerami i mikroprocesorami. Rdzeń może być taktowany z częstotliwością do 200 MHz, co przy średniej wydajności 2,14 DMIPS/MHz daje wynik 428 DMIPS, w przypadku zoptymalizowanych programów nawet 3,23 DMIPS/MHz (5 CoreMark/MHz).

Od strony technicznej Cortex-M7 to rozbudowana wersja rdzenia Cortex-M4, przystosowana do współpracy zszybką pamięcią SRAM TCM (dla danych i instrukcji programu), wyposażoną w pamięci cache dla danych i instrukcji (rysunek 1), a także zaawansowany 6-poziomowy mechanizm przetwarzania potokowego z predykcją oraz sprzętowym wsparciem superskalarnego wykonywania programu.

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.

Tabela 1. Najważniejsze cechy rdzeni Cortex-Mx

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.

Rysunek 2. System magistral otaczających rdzeń Cortex-M7 zastosowany w STM32F7

Ważnym udoskonaleniem wprowadzonym w rdzeniu Cortex-M7 jest nowy interfejs komunikacyjny (de facto jest to magistrala), który ma wpływ na wypadkową prędkość pracy mikrokontrolera: Master AXI (AXIM, rysunek 2). Zapewnia ona "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).

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).

Rysunek 3. Schemat blokowy mikrokontrolerów STM32F75x

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).

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.

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), a zgodnie z wybiegającymi w niezbyt odległą przyszłość zapowiedziami producenta, planowane jest osiągnięcie wyniku testu CoreMark o wartości 2000.

Rysunek 4. Porównanie wyposażenia mikorkontrolerów STM32

Producent opracowując mikrokontrolery STM32F7 zadbał o wyposażenie ich w bogaty zestaw elementów peryferyjnych (schemat blokowy pokazano na rysunku 3, a na rysunku 4 przedstawiono porównanie ich wyposażenia z dotychczas produkowanymi mikrokontrolerami), w skład którego wchodzą wszystkie interfejsy znane z poprzednich generacji mikrokontrolerów oraz kilka nowych rozwiązań, w tym m.in.:

  • zmodyfikowany podsystem generowania sygnałów zegarowych, pozwalający na modyfikowanie 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.

Rysunek 5. Mikrokontrolery STM32F7 są "pinowo" zgodne z mikrokontrolerami STM32F4, jedyne różnice - pokazane na rysunku - występują w obudowach 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 wypadku 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 5). Pozostałe planowane wersje obudów (na razie dla mikrokontrolerów STM32F75x) - LQFP144, LQFP176, UFBGA176, LQFP208, TFBGA216 oraz WLCSP143 - dokładnie odpowiadają mikrokontrolerom STM32F4.

Andrzej Gawryluk

Artykuł ukazał się w
Kwiecień 2015
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów