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

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień - maj 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów