STM32F7 (Cortex-M7) na pokładzie: nowy zestaw Discovery

Rysunek 1. Budowa i zasada działania akceleratora ART

Mikrokontrolery STM32F7 łączą cechy mikrokontrolerów (m.in. wbudowane: pamięć programu i danych, bogaty zestaw wewnętrznych peryferii, duża liczba GPIO) i mikroprocesorów (szybkie CPU z pamięcią TCMRAM, rozbudowane mechanizmy pipelineingu, wydajna magistrala komunikacyjna dla zewnętrznej pamięci SDRAM), co pogłębia "corteksowy" trend ostatnich lat.

Producent deklaruje maksymalną częstotliwość taktowania CPU w STM32F7 do 216 MHz, co pozwala im uzyskać prawdziwie "mikroprocesorową" wydajność obliczeniową 1082 CoreMark i prędkość wykonywania programu na poziomie 462 DMIPS. Pomimo kompleksowego wyposażenia mikrokontrolery STM32F7 pobierają prąd o relatywnie niewielkim natężeniu, w trybie normalnej pracy pobór prądu przez CPU nie przekracza 420 µA/MHz.

Tabela 1. Wybrane parametry dostępnych typów mikrokontrolerów STM32F7xx

Przy tak dużej częstotliwości taktowania CPU jak w STM32F7, konieczne jest zastosowanie rozwiązań minimalizujących opóźnienia w dostępie do wewnętrznej pamięci Flash, która bez sprzętowego wspomagania, z powodu ograniczeń technologicznych, nie jest w stanie dostarczać danych w tempie wyższym niż 80...90 MHz.

Firma STMicroelectronics w celu minimalizacji wpływu "wąskiego gardła" Flash na prędkość pracy mikrokontrolera używa sprawdzonego we wcześniejszych rozwiązaniach 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 (rysunek 1), które są kolejkowane w lokalnej (wbudowanej w ART) pamięci cache.

Producent twierdzi, że wspomaganie odczytu zawartości Flash za pomocą ART. powodują, że nie ma konieczności używania podczas odczytu wait-state'ów dotychczas istotnie zmniejszających realną prędkość transferu danych.

Mikrokontrolery STM32F7 wyposażono zarówno w zestaw klasycznych bloków peryferyjnych, znanych z wcześniejszych modeli mikrokontrolerów STM32 (w tym: 1×CEC; 1×SDIO; 2×CAN; 2×SAI; 2×USB OTG; 4×I²C; 4×UART; 4×USART; 6×SPI; 2×C/A 12-bitowy, 24 12-bitowe kanały A/C, w wybranych modelach Ethernet MAC), zastosowano także kilka nowych rozwiązań, w tym m.in.:

• Dwukanałowy transceiver I²S z obsługą S/PDIF oraz 3 półdupleksowe kanały wejściowe S/PDIF.
• Interfejsy USB-OTG (HS i FS, w drugim przypadku wymagany zewnętrzny PHY) z wydzielonym zasilaniem, co pozwala korzystać z tego interfejsu także przy zasilaniu mikrokontrolera napięciem 1,8 V.
• Udoskonalony podsystem generacji sygnałów zegarowych, pozwalający na modyfikowanie częstotliwości taktowania bloków peryferyjnych bez konieczności zmiany ustawień taktowania CPU.
• Dwa interfejsy QSPI, które sprzętowo realizują transmisję danych z pamięciami wyposażonymi w 1-, 4- lub 8-bitowe interfejsy komunikacyjne.

Fotografia 2. Wygląd zestawu STM32F7-DISCOVERY od strony wyświetlacza LCD-TFT

W tabeli 1 zestawiono wybrane informacje o cechach i parametrach dostępnych typów mikrokontrolerów STM32F7. Przedstawione dane pochodzą z początku lipca 2015, w tym czasie dostępny było 19 typów mikrokontrolerów o statusie active, dostępnych w wielu różnych wersjach obudów - od BGA/CSP, po łatwe w montażu wersje LQFP.

Prawdziwy elektronik nie uwierzy, jeśli nie sprawdzi, zwłaszcza przy tak rekordowych obietnicach, jakie składają katalogowe parametry mikrokontrolerów STM32F7. Najnowszy w ofercie STMicroelectronics zestaw startowy z serii Discovery (STM32F746G-DISCOVERY, 32F746GDISCOVERY) umożliwia wygodne zweryfikowanie działania mikrokontrolera STM32F746NGH6 (1 MB Flash, 320 kB SRAM, 216 MHz, Cortex-M7) w wymagającym otoczeniu: z zewnętrzną pamięcią SDRAM, wyświetlaczem graficznym LCDTFT WQVGA, interfejsem Ethernet i kodekiem audio. Wygląd zestawu od strony wyświetlacza pokazano na fotografii 2, znacznie bardziej interesujący dla praktyków widok - od strony elementów - pokazano na fotografii 3.

Przypomnijmy, że od strony technicznej Cortex-M7 to rozbudowana wersja rdzenia Cortex-M4, wyposażona w szybką pamięć SRAM TCM (dla danych i instrukcji programu) oraz cache dla danych i instrukcji. Dodatkowo, zastosowano w tym rdzeniu zaawansowany 6-poziomowy mechanizm przetwarzania potokowego z predykcją oraz sprzętowym wsparciem superskalarnego wykonywania programu. Ważnym udoskonaleniem wprowadzonym w rdzeniu Cortex-M7 w stosunku do starszych modeli rdzeni Cortex-M jest magistrala Master AXI (AXIM) zapewniająca komunikację CPU z blokami peryferyjnymi, która ma wpływ na wypadkową prędkość pracy mikrokontrolera. Zapewnia ona łączenie kilku kanałów magistrali AHB w jeden, szybki kanał dwukierunkowej komunikacji rdzenia z otoczeniem (w rdzeniach Cortex-M4 rdzeń komunikuje się z otoczeniem za pomocą "standardowych" interfejsów-magistral AHB). W mikrokontrolerach STM32F7 zastosowano najnowszy rdzeń firmy ARM - Cortex-M7, którego schemat blokowy pokazano powyżej

Fotografia 3. Wygląd zestawu STM32F7-DISCOVERY od strony "elementów"

Fizyczne wymiary prezentowanego zestawu są większe niż dotychczasowych DISCOVERY z mikrokontrolerami STM32, co wynika przede wszystkim z użytego w nim dużego wyświetlacza LCD-TFT, który stanowi integralną część zestawu. Przekątna wyświetlacza wynosi 4,3 cala, wymiary matrycy 480×272 punktów, moduł wyświetlacza został wyposażony w zintegrowany, pojemnościowy panel dotykowy z kontrolerem na I²C.

Wyposażenie prezentowanego zestawu należy do ponadstandardowych jak na tanie rozwiązanie mikrokontrolerowe, bowiem STM32F746G-DISCOVERY jest kompletnym komputerem sieciowym! W skład wyposażenia zestawu wchodzą:

• Pamięci NOR Flash z interfejsem QSPI (128 Mb).
• Pamięć SDRAM o pojemności 128 Mb (z czego mikrokontroler obsługuje 64 Mb).
• Kodek audio WM8994 ze stereofonicznymi: wyjściem słuchawkowym, wyjściami głośnikowymi i wejściem liniowym.
• Wejście cyfrowego audio SPDIF.
• Interfejs Ethernet 10/100 bazujący na zewnętrznym MAC, komunikującym się z mikrokontrolerem poprzez interfejs RMII.
• Złącza: kart MicroSD i kamery CCD (dołączony interfejs DCMI) oraz złącza Arduino Rev.3 (jak w zestawach STM32 NUCLEO), które umożliwiają montaż shieldów przystosowanych do zasilania napięciem 3,3 V.
• Interfejsy USB OTG w wersjach: FS (PHY wbudowany w mikrokontroler) oraz HS (z zewnętrznym PHY USB3320C, który komunikuje się z mikrokontrolerem za pomocą interfejsu ULPI.

Atutem prezentowanego zestawu są złącza zgodne z Arduino Rev. 3, w których można instalować shieldy przystosowane do zasilania napięciem I/O o wartości 3,3 V (fotografia 4). producent zachował dużą zgodność wyprowadzeń ze specyfikacją Arduino, bowiem zestaw można zasilać - jako jednego ze źródeł - także z napięcia zewnętrznego Vin.

Fotografia 4. STM32F7-DISCOVERY wyposażono w złącza zgodne z Arduino Rev.3

Prezentowany w artykule zestaw STM32F7-DISCOVERY wyposażono - podobnie do starszych modeli DISCOVERY - w dwa mikroprzełączniki (w tym tylko jeden dla użytkownika), złącze dla ekspandera z pamięciami EEPROM NFC (M24SR/M24LR) oraz programator-debugger ST-Link/V2-1.

Programator jest przystosowany do współpracy ze środowiskiem mbed.org. W chwili przygotowywania artykułu prezentowany zestaw nie znajdował się jeszcze na liście domyślnych platform sprzętowych obsługiwanych przez to środowisko, ale w najbliższych dniach ma trafić na tę listę.

Ułatwieniem dla konstruktorów chcących szybko rozpocząć testy nowej platformy sprzętowej jest efektowna aplikacja demonstracyjna, zapisana w pamięci Flash mikrokontrolera użytego w zestawie.

Składa się ona z ośmiu części uruchamianych i sterowanych za pomocą interfejsu dotykowego i graficznego menu sterującego, wśród nich szczególna uwagę zwracają: odtwarzacz audio z 5-pasmowym korektorem graficznym i regulowanym filtrem loudness, odtwarzacz wideo, rejestrator audio z analizatorem widm, sterownik ogrodu, system alarmowy bazujący na kamerach wideo, jedna gra oraz serwer VNC (Virtual Network Computing).

Aplikacja w testowanej wersji (1.0.0) ma drobne niedoskonałości, pomimo których można poczuć poziom zaawansowania platformy i jej dużą moc obliczeniową. Z pewnością pojawią się kolejne wersje firmware dla tego zestawu, oferowane przez producenta biblioteki w ramach środowiska STM32CUBE (zawierają m.in. sterowniki HAL, USB, stos Ethernet, system plików, RTOS oraz biblioteki i sterowniki graficzne) umożliwiają przygotowanie własnych aplikacji, dzięki zewnętrznej pamięci SDRAM także o dużym stopniu skomplikowania.

Znacznie większe niż w dotychczas dostępnych platformach sprzętowych, możliwości i bogatsze wyposażenie zestawu STM32F746G-DISCO zmusiły producenta do zaproponowania wyższej ceny sprzedaży, ale jest ona nadal bardzo atrakcyjna w odniesieniu do wyposażenia zawartego na płytce. Bez wątpienia warto poznać je bliżej.

Piotr Zbysiński, EP