ST的H7 MCU設(shè)計考量：用雙核實現(xiàn)高性能與實時組合

      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)品線高級市場經(jīng)理Renaud BOUZEREAU專程來京，與ST中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場及應(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  為何通過雙核實現(xiàn)超高性能

      無獨有偶，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”，特點是無內(nèi)置閃存，主頻可達(dá)1 GHz、600MHz等，CoreMark 3000左右，實現(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，主頻的提高會是影響Coremark跑分的一個非常重要的因素。但是，整個工程的執(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)行代碼的效率對比與外置QSPI Flash這種模式會高很多，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)計角度而言，外面增加元器件也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

      第二，在設(shè)計產(chǎn)品的時候，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)品會相對脆弱。ST研究過很多競爭對手的芯片，發(fā)現(xiàn)在高溫測試的時候，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的主頻會是一個很好的平衡點。

      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)置了硬件信號量的機制，硬件信號量可以將兩個核的運行狀態(tài)進(jìn)行同步，例如有些外設(shè)通過M4處理的時候，通過硬件信號量通知M7內(nèi)核該外設(shè)暫時不能被訪問的。

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

     除此之外，雙核還有獨特的“1+1＞2”的優(yōu)勢。首先，通過靈活使用兩個內(nèi)核，開發(fā)人員可以輕松升級現(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，同時在Cortex-M7上運行新GUI（圖形用戶界面）。另一個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)還有助于簡化代碼開發(fā)，并縮短項目開發(fā)周期，將用戶界面代碼與實時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上運行，實時控制、通信功能在M4上運行    

      2  內(nèi)置閃存、SRAM的考慮

      友商N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，更好地解決了存儲空間限制問題，并簡化了具有實時性能或AI處理要求的工業(yè)、消費和醫(yī)療智能產(chǎn)品設(shè)計。

      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)置安全啟動和安全固件更新（SB-SFU）支持功能，保護空中下載（OTA）升級和補丁的安全。

      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，這是個公鑰，這個程序是加過密的，這個程序是需要用公鑰去解密的，如果沒有這個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。第二個特點是每使用的時候會確認(rèn)這個代碼是不是一開始開發(fā)的代碼，如果代碼有木馬程序，就不會啟動。

     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，會不會帶來制造成本的壓力？

    Renaud BOUZEREAU解釋道，從芯片的制造而言，因為是基于同樣的平臺，例如現(xiàn)在的H7是屬于40nm平臺，在40nm平臺上，這是一次性投資的技術(shù)，投入之后，ST在這個平臺上面去開發(fā)更多的產(chǎn)品來滿足用戶的需求，這相對于一次性技術(shù)投入，成本較小。

    從另外角度來看，之所以會生產(chǎn)很多細(xì)分的產(chǎn)品，主要是為了應(yīng)對現(xiàn)在越來越細(xì)分化的市場需要。ST現(xiàn)在有上千個型號，每個型號的資源配置都是根據(jù)很多細(xì)分應(yīng)用來決定的。從性價比上來講，如果你只需要實現(xiàn)一個簡單的功能，而我們提供一個非常強大的MCU，價格肯定會比你預(yù)期的貴不少。所以ST會創(chuàng)造出不同的產(chǎn)品，來滿足各個細(xì)分市場的需求。

     曹錦東先生補充道，高性能并不代表批量的減少，ST追求的是技術(shù)的迭代，因為當(dāng)12年前（2007年）ST發(fā)布STM32F1時，工藝是180nm，那個時候投資回報率（ROI）這個問題同樣是有——因為那時主要市場還是8位、16位MCU，但五年、十年后，32位MCU變成了巨大的市場。因此，技術(shù)會推動或者可以激發(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)品去實現(xiàn)。

圖 STM32家族一覽表